希托夫法測定離子遷移數實驗的改進

許 立，王 焆，平兆艷

(淮南師范學院 化學與材料工程學院，安徽 淮南 232038)

在物理化學課程的電化學內容中，離子遷移數是一個十分重要的概念，表示某種離子所運載的電流與通過溶液的總電流之比。通過離子遷移數的測定實驗，學生可以對離子的電遷移現象、法拉第定律有更直觀的認識和全面的了解，因而離子遷移數的測定成為物理化學實驗中的一個經典電化學實驗。測定離子遷移數常用的方法有：希托夫法、界面移動法和電動勢法[1]，其中希托夫法是國內很多高校采用的物理化學實驗教學方法，但該方法存在實驗時間長，測量結果不準確的問題。為提高實驗教學質量，淮南師范學院化學與材料工程學院基礎化學實驗中心物理化學課程組在借鑒其他研究者成功經驗的基礎上[2-7]，對經典的希托夫法測定離子遷移數的實驗測量方法進行了部分改進，采用分析速度更快、準確度更高、數據處理更簡便的分光光度法代替原實驗中的化學滴定法測定銅離子濃度，不僅提高了實驗的準確度，也讓學生學習并掌握了分光光度法。教學實踐結果表明，改進后的實驗能更好的滿足對實驗時間和評測的要求，實驗的準確性和可操作性均有明顯提高。

1 希托夫法測定離子遷移數實驗的改進

希托夫法測定離子遷移數的實驗可分為3個過程，即通電前、通電和通電后。長期的實驗教學經驗表明，按照傳統方法，學生完成整個實驗過程一般需要4 h，而我院修訂后的《物理化學實驗》實驗教學大綱中，要求在4個學時(3 h)內完成該實驗，兩者存在較大差距。實驗中耗時最長的是通電過程，已有的研究表明[4-7]，通電時間不能過短，宜控制在90 min，電流則控制在15～20 mA比較合適。因為通電時間太短和電流過小，陰陽極溶液濃度變化太小，實驗誤差較大，電流也不能過大以免電極發(fā)熱或使陰極上還原出的銅松散與陰極結合不牢[1]。停止通電后，要立即處理各區(qū)溶液再分別測量其濃度，同時處理陰極銅片并稱量。對于各區(qū)溶液濃度的測量，傳統做法是用硫酸銅溶液和碘化鉀溶液反應，再用標準硫代硫酸鈉溶液滴定的方法。該滴定法具有儀器設備簡單、操作簡便的特點，但存在著滴定終點判斷比較難，滴定誤差比較大，測量時間長，樣品用量大等問題。引入分光光度法后[7]，不僅較好的解決了原方法中的不足，同時，學生又掌握了更先進的測量濃度的方法，可謂是“一舉兩得”。

硫酸銅溶液在可見光區(qū)有吸收，其最大吸收波長為810 nm，實驗測得當硫酸銅溶液濃度在0.03～0.07 mol·L-1范圍內遵守朗伯-比爾定律(R2=0.9998)，因此可通過分光光度法測定硫酸銅溶液濃度[7]。用分光光度法測定物質的含量，一般采用標準曲線法，即配制一系列濃度的標準溶液，在實驗條件下依次測量各標準溶液的吸光度，以標準溶液的濃度為橫坐標，相應的吸光度為縱坐標，繪制標準曲線。在相同的實驗條件下，測量待測溶液的吸光度，根據測得的吸光度值從標準曲線上查出相應的濃度值。

2 實驗部分

2.1 儀器和藥品

U形遷移管1根；數字精密直流穩(wěn)流電源1臺；庫侖計1臺；翔藝V-1000型分光光度計(配1 cm比色皿一對)1臺；電子分析天平1臺；容量瓶(25 mL)5只；錐形瓶(250 mL)3只；移液管；吸量管；燒杯(50 mL)3只；堿式滴定管1支。硫酸銅電解液；硫酸銅溶液(0.05 mol·L-1)；硫酸銅標準溶液(約0.10 mol·L-1)；乙醇(AR)；硫代硫酸鈉標準溶液(0.0500 mol·L-1)；10%碘化鉀溶液；醋酸溶液(1 mol·L-1)；淀粉指示劑(0.5%)。

2.2 實驗步驟

2.2.1 硫酸銅標準溶液的標定

用移液管吸取10.00 mL硫酸銅標準溶液(約0.10 mol·L-1)于250 mL錐形瓶中，加入10%碘化鉀溶液10 mL、1 mol·L-1醋酸溶液10 mL，用硫代硫酸鈉標準溶液滴定，滴至淡黃色時加入1 mL淀粉指示劑，再滴至紫色消失，平行測定3次，從而標定出硫酸銅標準溶液的濃度。

2.2.2 繪制硫酸銅溶液標準曲線

計算配制25 mL濃度分別為0.0300、0.0400、0.0500、0.0600、0.0700 mol·L-1硫酸銅溶液所需的0.10 mol·L-1硫酸銅標準溶液的體積。用吸量管分別吸取計算量的0.10 mol·L-1硫酸銅標準溶液，分別放到5只25 mL容量瓶中，并用蒸餾水稀釋至刻度，混合均勻后，用1 cm的比色皿，以蒸餾水為參比，在硫酸銅溶液最大吸收波長處(810 nm)測定各溶液的吸光度。以測得的吸光度為縱坐標，以相應硫酸銅溶液濃度為橫坐標，繪制出硫酸銅溶液標準曲線。

2.2.3 硫酸銅離子遷移

①用0.05 mol·L-1的硫酸銅溶液蕩洗遷移管2次，再加入該溶液至適當位置。將遷移管垂直固定好，并將處理清潔后的兩根電極浸入，趕走管內氣泡。

②將庫侖計中的陰極銅片取下，磨光，水洗，乙醇淋洗后吹干，在電子分析天平上稱量后裝入庫侖計中，庫侖計中倒入適量的硫酸銅電解液。

③將遷移管、庫侖計和數字精密直流穩(wěn)流電源用導線串聯，控制電流20 mA，通電90 min。

④停止通電后，立即放下中部區(qū)的溶液，再分別放下陰極、陽極區(qū)的溶液(接液所用的小燒杯須提前洗凈、烘干、編號、稱量)。

⑤將庫侖計中的陰極銅片取下，水洗，再用乙醇淋洗，吹干后稱量。

⑥分別取各區(qū)溶液，在與測量標準曲線相同的條件下，測量其吸光度，根據試樣溶液的吸光度，在標準曲線上即可查出被測溶液濃度。

3 實驗改進結果

實驗改進分三步進行，第一步是教師預做，在準備好實驗所用的儀器和藥品后進行預做，兩位教師2.5 h內順利完成，實驗誤差在5%以內；第二步是學生預做，挑選學習基礎好、動手能力強、未接觸過該實驗的4名學生來驗證實驗的效果，分兩組同時進行，2.5 h內均順利完成，實驗誤差均在5%以內；第三步是學生正式實驗，共有四個專業(yè)的21名學生參加，均在3 h內完成實驗。最終有5名學生的實驗誤差在5%以內，3名學生實驗結果誤差在20%左右，2名學生實驗結果無法計算，達到了區(qū)分學生實驗能力的效果。后來的實驗教學統計表明，約95%的學生3 h內能順利完成全部實驗操作，約70%的學生能將實驗結果誤差控制在15%以下。

4 結語

通過本次實驗的改進，優(yōu)化了希托夫法測定離子遷移數的實驗過程，提升了學生實踐能力和團隊協作意識。尤其是采用現代方法和傳統方法做同一個測量實驗時，兩者的鮮明對比給學生留下的印象十分深刻，學生對知識點的理解也更加透徹。同時，在準備該實驗的過程中，教師的實驗設計更加科學合理。