CuSO₄在混合溶劑中離子遷移數的研究

楊繩巖　孟祥珍

【摘 要】離子遷移數在化學及電化學研究領域中是一個重要的參數，對研究電解質溶液有著重要的作用。本文以《物理化學實驗》中離子遷移數的測定為基礎，采用希托夫法的測定方法研究CuSO4在混合溶劑中離子遷移數的變化規律。選擇三個不同的研究體系，分別為固定CuSO4的濃度，改變乙醇在混合溶劑中的質量分數；固定CuSO4的濃度和混合溶劑中水的體積，改變混合溶劑中的另一種溶劑（甲醇、異丙醇）；固定10%乙醇的混合溶劑，改變CuSO4的濃度，從而尋找離子遷移數的變化規律。

【關鍵詞】希托夫法；離子遷移數；混合溶劑

在化學及電化學領域中，離子遷移數是一個重要的參數，對研究電解質溶液、電極過程動力學、自發電池、電解電鍍過程以及生物化學反應等都具有重要作用[1]。測定離子遷移數有助于了解離子的性質，如從離子遷移數與電導入手，通過研究電解質溶液中離子的遷移性質，并結合電解質的極限摩爾電導，得到單離子極限電導，從而可以比較直觀地表征溶液中離子的溶劑化性質[2]。另外，研究影響電解質中離子遷移數的各種因素，可以明確體系中各種組分之間的相互作用，探討離子導電的機理，為設計、合成和應用新型電解質溶液提供重要的理論指導[3]。

離子遷移數的測定是物理化學和物理化學實驗研究中的一個重要內容，目前文獻報道較多的是對離子遷移數在單一溶液中測量方法的改進和測量儀器的研究[4]，而對離子遷移數在混合溶劑中的研究較少報道。在單一溶劑的基礎上，研究離子遷移數在混合溶劑中的變化規律，對于更好地理解和應用離子遷移數有著重要的意義。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

CuSO4·5H2O（A.R.）；硫代硫酸鈉（A.R.）；碘化鉀（A.R.）；醋酸（A.R.）；可溶性淀粉（C.P.）；硝酸（A.R.）；濃硫酸（A.R.）；無水乙醇（A.R.）；甲醇（A.R.）；異丙醇（A.R.）。

HTF-7B離子遷移數測定裝置；希托夫管；銅庫侖計；電子天平（一臺）。

1.2 實驗步驟

在希托夫遷移管中裝入CuSO4混合溶液，排盡遷移管中的氣泡，并使遷移管的兩A、B活塞處于導通狀態。將庫侖計中陰極銅片取下，先用細砂紙磨光，除去表面氧化層，放在6mol/L硝酸溶液中洗滌，再用蒸餾水洗凈，后用乙醇淋洗并吹干，在分析天平上稱重記為m1，裝入庫侖計中。連接好遷移管、離子遷移數測定儀和庫侖計，接通電源，調節電流強度為10mA左右，連續通電90min[5]。

在電解時間內，取10ml原CuSO4混合溶液加入50ml的錐形瓶中，稱量錐形瓶和溶液的總質量，向錐形瓶中加入5ml10﹪碘化鉀溶液及10ml HAc溶液，用0.05mol/LNa2S2O3溶液滴定至淡黃色，然后加入1ml淀粉指示劑，再滴至紫色消失，記錄所用硫代硫酸鈉的體積VNaS2O3，1（ml）。

停止通電后，立即關閉A、B活塞，使三室隔開，以免擴散。從庫侖計中取出陰極銅片，用水沖洗后，淋以乙醇并吹干，稱其重量記為m2。用250ml錐形瓶迅速取出陽極區溶液稱重，并用同樣的方法滴定分析陽極區CuSO4溶液的Cu2+濃度，記錄所用硫代硫酸鈉的體積VNaS2O3，，2（ml）。將所得數據處理[6]，代入公式tCu2+=n遷/ n電，即可求得Cu2+的遷移數。

2 結果與討論

本論文選擇三個不同的研究體系，研究CuSO4溶液中Cu2+的離子遷移數的變化規律。討論結果如下：

2.1 不同的溶劑質量分數的影響

固定CuSO4溶液的濃度為0.05mol/L，改變乙醇在水和乙醇混合溶劑中的質量分數，分別為0%，5%，10%，15%，20%，測得的實驗數據及計算結果如表1所示。

根據表1中的數據，以tCu2+為縱坐標，乙醇的質量分數為橫坐標繪制曲線，得圖1。

圖1 不同溶劑質量分數對離子遷移數的影響

Figure 1 Effects of different solvents on ion transference number

從圖1的曲線可以發現，Cu2+的遷移數隨著混合溶劑中乙醇的質量分數的增加而增大。

2.2 不同極性的溶劑的影響

固定CuSO4的濃度為0.05mol/L和混合溶劑中水的質量分數為90%，改變混合溶劑中的另一種溶劑的極性，如甲醇、乙醇、異丙醇，測得的實驗數據及計算結果如表2所示。

表2 研究體系2的實驗數據

Table 2 Experimental data of reserach system two

甲醇，乙醇和異丙醇的極性順序為甲醇>乙醇>異丙醇，而表2中離子遷移數的計算結果表明：Cu2+的遷移數隨混合溶劑中另一種溶劑極性的減小而增大。

2.3 不同CuSO4濃度的影響

固定10%乙醇的混合溶劑，改變CuSO4的濃度，分別為0.01mol/L，0.05mol/L，0.10mol/L，0.50mol/L，1.00mol/L，測得的實驗數據及計算結果如表3所示。

根據表3中的數據，以tCu2+為縱坐標，CuSO4的濃度為橫坐標繪制曲線，得圖如下所示。

從圖2曲線不難發現：Cu2+的遷移數隨Cu2+濃度的增大而減小。這主要是因為隨著溶液濃度的不斷增大，離子間相互引力較大，正、負離子的速率均減慢，導致離子遷移數減小。這與離子在單一溶劑中的變化規律是一致的。

3 結論

本文采用希托夫法、選擇三個不同的研究體系測定了CuSO4溶液在混合溶劑中的Cu2+離子遷移數，并得到了不同研究體系的離子遷移數的變化規律。Cu2+的遷移數隨著混合溶劑中乙醇的質量分數的增加而增大；隨混合溶劑中另一種溶劑極性的減小而增大；隨Cu2+濃度的增大而減小。

【參考文獻】

[1]張鎖江.電解質溶液的熱力學性質和傳遞性質[D].杭州：浙江大學，1994.

[2]潘煥泉.含水和混合溶劑電解質溶液熱力學性質的研究[D].杭州：浙江大學， 1990.

[3]姚加，閆衛東，謝學鵬，等.NaBr在乙醇-水體系中298.15K下的離子遷移數[J].浙江大學學報：自然科學版，1999，33（01）：33-39.

[4]張國林，劉正銘.希托夫離子遷移數測定儀的改進[J].實驗室研究與探索，2000，04：100-101.

[5]莊繼華.物理化學實驗[M].3版.北京：高等教育出版社，2004.

[6]王麗芳，康艷珍.物理化學實驗[M].北京：化學工業出版社，2007.

[責任編輯：楊玉潔]