離子移動率V : 電壓

Report
實驗六 :
以希特夫法測離子遷移數
組員:
49812041 柯承佑 目的、原理
49812031 羅世謙 藥品儀器、實驗步驟
49812071 郭淳旻 數據處理

目的:
利用希特夫法電解質離子所攜帶電流佔全部電
流的比例值的原理,來電解消酸銀水溶液測“銀”
離子之遷移數。
原理:
因溶液導電需要由離子傳遞電流,但由於陰陽
離子因大小不同、離子之間複雜作用力等因素,
造成移動速率不同而使攜帶電流比例不盡相同。
因此定義離子遷移數來表示各離子對導電度的
貢獻。

測量遷移速的方法有:
1.希特夫法(Hittorf Method)
2.介面移動法(Moving boundary Method)
3.電動式法(Electromotive Force Method)
一.希特夫法(Hittorf Method):
一種測定離子遷移率之方法,將電解池通
以一定量的電流,再利用簡單儀器測定,
使兩極之濃度因反應而有明顯的變化後,
停止電流,並量取兩極及中間之溶液,以
分析其含量的變化,而求出離子遷移率。
陽極區域
M┼
損失 t ┼ 莫爾 M ┼ 陽離子
陰極區域
增加 t ┼ 莫爾 M ┼ 陽離子
中間區域
沒有變化
還原一莫爾的 M ┼
A
─
增加 t 莫爾 ─ 陽離子
A
─
氧化一莫爾的 A─
損失 t
─
莫爾 A─陽離子
沒有變化
上圖是在理想的情況下,但本次實驗用AgNO3
在陰極
Ag +e Ag

在陽極
NO3 不解離(由陽極的Ag解離成 Ag + e )

( NO3 仍往陽極移動)
因此陰極AgNO3濃度減少而陽極AgNO3濃度增加

二.介面移動法(Moving boundary Method)
三.電動勢法
使用濃差電池,量測陰極和陽極的電位差後以Nernst方程式計算
遷移數。
陽極:
陰極:
Pt | H 2 ( p) | HCl(a1 ) | HCl(a2 ) | H 2 ( p) | Pt a1  a2
遷移:
1
H 2 ( p)
2
1
H 2 ( p)  H  (a1 )  e 
2
H  ( a2 )  e  
t H  (a1 )  t H  (a2 )
tCl  (a2 )  tCl (a1 )
總反應式:
→代入Nernst equation
t H  (a1 )  H  (a2 )  tCl (a2 )  t H  (a2 )  H  (a1 )  tCl (a1 )
t [ H  (a2 )  Cl  (a2 )]  t [ H  (a1 )  Cl  (a1 )]
由上式,搭配量測所得的電位差,計算出遷移數。
[(aH  )1  (aCl  )1 ]t
RT
E  E 
ln
zF [(aH  ) 2  (aCl  ) 2 ]t
移動率與電流
Q
I   Z  F   V
t
I : 電流
t : 時間
F : 法拉第常數
V : 電壓
Q : 電量
Z : 離子電荷數
μ :離子移動率
Formula
首先由庫倫定律可知


Q  It
I  Q/t  Z  F    V
離子電流=離子電荷數x法拉第數x離子移動率x
兩電極之間電壓

Z : 離子電荷數 V : 兩電極之間的電壓

F : 法拉第數

μ : 離子移動率

μ (離子移動率) : 定義為在電場強度下移動
速率v之間的關係,表示成 v/E

I  Q / t  nFt Z
t  d /v
I  Q / t  nFt Z  nF Z v
d
  v/E
nF Z E
v    E  代入上式  I 
d
電壓
E
V
距離 d
V
I  n  Z F   2
d

E=電壓/距離=

n=mole數

Z=電荷數

F=法拉第數

μ =離子移動率

V=兩電極間的電壓
儀器:
電解槽 :
水電量計:
POWER:
三用電表:
裝置圖:
藥品:
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

0.1M KCl溶液 250mL 作為標準滴定液
M=74.551 D=1.987 Mp:776 ℃
(1.8638克KCl/250mL H2O)
0.1M AgNO3溶液 500mL 電解液
M=169.88 D=4.35 Mp:212℃ Bp:444℃
(8.494克AgNO3/500mL H2O)
適量NaOH 水電量計之溶液
M=39.9971 D=2.1 Mp:318℃ Bp:1388℃
實驗步驟:
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1.配置0.1M KCl 溶液 250mL。

2.配置0.1M的AgNO3 溶液 500mL。

3.用R.O水清洗電解槽、水電量計。

4.將0.1M之AgNO3溶液裝入電解槽。

5.將0.1M之NaOH 100mL溶液裝水電量計。

6.電解槽、水電量計中不能有氣泡,並調整水電
量計的水柱刻度至定點與平衡管中壓力。
(溶液倒入電解槽和水電量計中,應該要沿著管壁
緩緩倒入,才不會產生氣泡堵塞。)

7.打開POWER且開始電解,緩緩增加電壓,但是
不可以讓電解槽產生氣泡。(I=4mA)
(氣泡產生表示電解槽的H2O被電解。)



8.當水電量計中有氣體產生約6mL左右的體積就
可停止電解,關掉POWER並記錄水柱刻度。
9.由電解槽下方之活栓分別取出陰極、陽極和中
間部分的電解液,用量筒記錄體積。
10.分別取10~20mL電解液用KCl滴定,算出其濃
度。
(所量取的體積要精確的記綠,滴定終點的電極電
位大約0.223V。)

11.每個部分滴定一次即可。
Result And Data Processing

由水電量計可測得氣體之總體積為V
計進行的是電解水。
TOT
,而水電量
1
2
1
H 2O  H 2  O 2  VTOT  VH 2  VO 2
2
3
3


VH 2 : VO 2  2 : 1; nH 2 O  nH 2




故可由PV = nRT來推得n (V 、R、T、 P 均已知)
又因為:
H2
H2
QTOT  2nH 2  ZH   QAg   QNO3
故可以得到Q 之值。
TOT

而在滴定結束後,計算陰極(Cathode)跟陽極(Anode)
之銀離子增加或減少的濃度,再與中央的做比較。
在達到滴定終點時之電位為0.223V( AgCl之還原電位)
又 KCl  AgNO3  KNO3  AgCl(s),且KCl濃度和體積
與AgNO3之體積可測知:

CKCl  VKCl  CAgNO 3  VAgNO 3  CAgNO 3  ?
for anode: QAg   QTOT  (Canode  CAgNO 3, init.)  Vanode
 
( Ag  會向anode移動,使anode側的 Ag  升高
 Canode  CAgNO 3, init;Q  n  Zn  (conc V)  Zn)
for cathode: QAg  QTOT  (CAgNO 3, init.  CCath.)  VCath.
由上式可以推出在陰極(Cathode)增加的陽離子(銀離子)
的量與在陽極(Anode)減少的陽離子的量。
VCath.  陰極所取出之溶液體積;
VAnode  陽極所取出之溶液體積
CCath.  陰極溶液之濃度;CAnode  陽極溶液之濃度
CAgNO 3, init  CMiddle  中間(起始)之溶液濃度
•離子遷移數的定義是各離子物種所攜帶的
電流佔全部的比例
I┼
t ┼=
I ┼+ I ─
I

t 
I  I 
陽極處陽離子當量數減少量
陰極處陰離子當量數減少量
v t
 
v t

再由之前的公式來計算出 t+ (或 t Ag , 銀離子的遷移數):
+


QAg
QAg
tAg 



QAg  QNO 3 QTOT




又 tAg  tNO 3  1  tNO 3  1  tAg

最後再由上式推出 t -。
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資料來源:
Ibp塑網
http://wiki.ibuyplastic.com/index.php?title=%E5%B8%8C%E7
%89%B9%E5%A4%AB%E6%B3%95&variant=zh-tw
http://www.docin.com/p-43802414.html
 http://222.33.46.108/wlhx1/jiaoan/Chapter%207The%20Elect
rolyte.htm
 http://www.resonance-ed.com/en/catalog/itm340/
圖片自行拍攝

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