希托夫法測(cè)定離子遷移數(shù)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

許 立，王 焆，平兆艷

(淮南師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 淮南 232038)

在物理化學(xué)課程的電化學(xué)內(nèi)容中，離子遷移數(shù)是一個(gè)十分重要的概念，表示某種離子所運(yùn)載的電流與通過(guò)溶液的總電流之比。通過(guò)離子遷移數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以對(duì)離子的電遷移現(xiàn)象、法拉第定律有更直觀的認(rèn)識(shí)和全面的了解，因而離子遷移數(shù)的測(cè)定成為物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)經(jīng)典電化學(xué)實(shí)驗(yàn)。測(cè)定離子遷移數(shù)常用的方法有：希托夫法、界面移動(dòng)法和電動(dòng)勢(shì)法[1]，其中希托夫法是國(guó)內(nèi)很多高校采用的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，但該方法存在實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題。為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，淮南師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心物理化學(xué)課程組在借鑒其他研究者成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[2-7]，對(duì)經(jīng)典的希托夫法測(cè)定離子遷移數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法進(jìn)行了部分改進(jìn)，采用分析速度更快、準(zhǔn)確度更高、數(shù)據(jù)處理更簡(jiǎn)便的分光光度法代替原實(shí)驗(yàn)中的化學(xué)滴定法測(cè)定銅離子濃度，不僅提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度，也讓學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握了分光光度法。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)?zāi)芨玫臐M足對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和評(píng)測(cè)的要求，實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可操作性均有明顯提高。

1 希托夫法測(cè)定離子遷移數(shù)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

希托夫法測(cè)定離子遷移數(shù)的實(shí)驗(yàn)可分為3個(gè)過(guò)程，即通電前、通電和通電后。長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，按照傳統(tǒng)方法，學(xué)生完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程一般需要4 h，而我院修訂后的《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中，要求在4個(gè)學(xué)時(shí)(3 h)內(nèi)完成該實(shí)驗(yàn)，兩者存在較大差距。實(shí)驗(yàn)中耗時(shí)最長(zhǎng)的是通電過(guò)程，已有的研究表明[4-7]，通電時(shí)間不能過(guò)短，宜控制在90 min，電流則控制在15～20 mA比較合適。因?yàn)橥姇r(shí)間太短和電流過(guò)小，陰陽(yáng)極溶液濃度變化太小，實(shí)驗(yàn)誤差較大，電流也不能過(guò)大以免電極發(fā)熱或使陰極上還原出的銅松散與陰極結(jié)合不牢[1]。停止通電后，要立即處理各區(qū)溶液再分別測(cè)量其濃度，同時(shí)處理陰極銅片并稱量。對(duì)于各區(qū)溶液濃度的測(cè)量，傳統(tǒng)做法是用硫酸銅溶液和碘化鉀溶液反應(yīng)，再用標(biāo)準(zhǔn)硫代硫酸鈉溶液滴定的方法。該滴定法具有儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，但存在著滴定終點(diǎn)判斷比較難，滴定誤差比較大，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，樣品用量大等問(wèn)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(shí)，學(xué)生又掌握了更先進(jìn)的測(cè)量濃度的方法，可謂是“一舉兩得”。

硫酸銅溶液在可見(jiàn)光區(qū)有吸收，其最大吸收波長(zhǎng)為810 nm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)硫酸銅溶液濃度在0.03～0.07 mol·L-1范圍內(nèi)遵守朗伯-比爾定律(R2=0.9998)，因此可通過(guò)分光光度法測(cè)定硫酸銅溶液濃度[7]。用分光光度法測(cè)定物質(zhì)的含量，一般采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法，即配制一系列濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在實(shí)驗(yàn)條件下依次測(cè)量各標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，以標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度為橫坐標(biāo)，相應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)量待測(cè)溶液的吸光度，根據(jù)測(cè)得的吸光度值從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出相應(yīng)的濃度值。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器和藥品

U形遷移管1根；數(shù)字精密直流穩(wěn)流電源1臺(tái)；庫(kù)侖計(jì)1臺(tái)；翔藝V-1000型分光光度計(jì)(配1 cm比色皿一對(duì))1臺(tái)；電子分析天平1臺(tái)；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(biāo)準(zhǔn)溶液(約0.10 mol·L-1)；乙醇(AR)；硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 硫酸銅標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定

用移液管吸取10.00 mL硫酸銅標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，滴至淡黃色時(shí)加入1 mL淀粉指示劑，再滴至紫色消失，平行測(cè)定3次，從而標(biāo)定出硫酸銅標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度。

2.2.2 繪制硫酸銅溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

計(jì)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(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。用吸量管分別吸取計(jì)算量的0.10 mol·L-1硫酸銅標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)處(810 nm)測(cè)定各溶液的吸光度。以測(cè)得的吸光度為縱坐標(biāo)，以相應(yīng)硫酸銅溶液濃度為橫坐標(biāo)，繪制出硫酸銅溶液標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(nèi)氣泡。

②將庫(kù)侖計(jì)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(kù)侖計(jì)中，庫(kù)侖計(jì)中倒入適量的硫酸銅電解液。

③將遷移管、庫(kù)侖計(jì)和數(shù)字精密直流穩(wěn)流電源用導(dǎo)線串聯(lián)，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(yáng)極區(qū)的溶液(接液所用的小燒杯須提前洗凈、烘干、編號(hào)、稱量)。

⑤將庫(kù)侖計(jì)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)曲線相同的條件下，測(cè)量其吸光度，根據(jù)試樣溶液的吸光度，在標(biāo)準(zhǔn)曲線上即可查出被測(cè)溶液濃度。

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)分三步進(jìn)行，第一步是教師預(yù)做，在準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)所用的儀器和藥品后進(jìn)行預(yù)做，兩位教師2.5 h內(nèi)順利完成，實(shí)驗(yàn)誤差在5%以內(nèi)；第二步是學(xué)生預(yù)做，挑選學(xué)習(xí)基礎(chǔ)好、動(dòng)手能力強(qiáng)、未接觸過(guò)該實(shí)驗(yàn)的4名學(xué)生來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的效果，分兩組同時(shí)進(jìn)行，2.5 h內(nèi)均順利完成，實(shí)驗(yàn)誤差均在5%以內(nèi)；第三步是學(xué)生正式實(shí)驗(yàn)，共有四個(gè)專業(yè)的21名學(xué)生參加，均在3 h內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。最終有5名學(xué)生的實(shí)驗(yàn)誤差在5%以內(nèi)，3名學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在20%左右，2名學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法計(jì)算，達(dá)到了區(qū)分學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ男Ч?。后?lái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)統(tǒng)計(jì)表明，約95%的學(xué)生3 h內(nèi)能順利完成全部實(shí)驗(yàn)操作，約70%的學(xué)生能將實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差控制在15%以下。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，優(yōu)化了希托夫法測(cè)定離子遷移數(shù)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提升了學(xué)生實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。尤其是采用現(xiàn)代方法和傳統(tǒng)方法做同一個(gè)測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩者的鮮明對(duì)比給學(xué)生留下的印象十分深刻，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解也更加透徹。同時(shí)，在準(zhǔn)備該實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，教師的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。