Обработка результатов и оформление отчета

Определяют удельную электропроводности исследуемого раствора, используя мост переменного тока (рис. 3.2), а затем рассчитывают растворимость по уравнению (3.18). При подсчетах растворимости солей типа сначала используют значения и при бесконечном разведении. Затем, после нахождения приблизительного значения растворимости , эту величину уточняют, интерполируя и используя, если это возможно, значения и при соответствующих концентрациях.

Отчет включает в себя следующие разделы: теоретическую часть, цель работы, схему установки, описание методики измерения, таблицу результатов измерений, расчет растворимости соли и сравнение со справочными данными. Значения электропроводности усредняют, а величину ошибки рассчитывают, как описано в разделе статистической обработки данных прямых измерений. Следует учесть, что . Из полученных дисперсий измерений электропроводности раствора и воды, определяют среднеквадратическую ошибку электропроводности соли, а затем ошибку в определении концентрации.

Лабораторная работа № 8.
Определение чисел переноса методом Гитторфа

В переносе электричества через электролиты участвуют все ионы, однако доля их участия различна. Поэтому вводят понятие чисел переноса . Число переноса показывает долю участия данного сорта ионов в переносе электричества через раствор:

. (3.19)

Здесь – общий ток, – ток, переносимый i -ым сортом ионов. Очевидно, сумма чисел переноса всех ионов, присутствующих в растворе, равна единице, т. е. .

Числа переноса связаны со скоростями движения соответствующих ионов , и ионными подвижностями , следующими соотношениями:

; . (3.20)

Для смесей электролитов число переноса каждого иона зависит также от его концентрации в растворе:

. (3.21)

В первое время после начала электролиза концентрационные изменения в приэлектродных слоях раствора целиком определяются количеством пропущенного электричества.

Рассмотрим электрохимическую систему, состоящую из двух медных электродов, опущенных в раствор сульфата меди.

Система

катод анод

Составим электродный баланс:

Катодное пространство	Анодное пространство
Разряд Перенос
После суммирования:

В результате прохождения через систему электричества молей сульфата меди переносится из катодного в анодное пространство. Если известно количество электричества (, Кл), которое пропущено через систему, то число переноса аниона можно посчитать по уравнению:

. (3.22)

Число перенесенных молей сульфата меди можно определить по изменению концентрации соли в катодном (уменьшение) и анодном (увеличение) пространствах. Измерительная ячейка (рис. 3.3) представляет собой сосуд с разделенными катодным (1), анодным (3) и средним (2) пространствами.

Рисунок 3.3. Ячейка для измерения чисел переноса методом Гитторфа:

1, 2, 3 – трубки с кранами для сливания раствора; 4 – краны, позволяющие разделять электролит; 5 и 6 – медненые платиновые электроды площадью примерно 1 см²

Для системы изменения количества молей соли в католите и анолите будут равны между собой по абсолютной величине и пропорциональны количеству электричества (или числу фарадеевских констант ), пропущенного через ячейку, т. е.

, моль-экв. (3.23)

. (3.24)

Здесь , и концентрации сульфата меди, соответственно, в катодном, среднем и анодном пространствах измерительной ячейки; и – объемы электролита катодного и анодного пространства ячейки.

Окончательно уравнение для расчета чисел переноса имеет вид

. (3.25)

где – число фарадеевских констант, пропущенных через ячейку.

Методом Гитторфа определяют кажущиеся числа переноса, так как ионы и в действительности гидратированы и переносят с собой воду, что не было учтено в приведенных выше расчетах.

Цель работы – определение чисел переноса ионов и в растворе сульфата меди.

Возможны другие варианты заданий.

1) определить числа переноса в зависимости от концентрации электролита;

2) исследовать влияние посторонних электролитов на числа переноса.

Экспериментальная часть

Измерение проводят с помощью ячейки (сосуда), позволяющей разделить католит, анолит и среднее пространство. В крайние трубки помещают медные электроды площадью около 1 см². Кроме того, трубка имеет два крана, позволяющих разделить объем электролизера на три части (рис. 3.3). Электролитом служит 0,25-0,5 моль-экв/л раствор сульфата меди. Собирают электрическую схему, состоящую из включенных последовательно ячейки для измерения чисел переноса, медного кулонометра и амперметра (рис. 3.4). Перед началом опыта тщательно промытую ячейку (сосуд) заливают электролитом. Катод медного кулонометра, который используется для определения количества пропущенного электричества, взвешивают. После этого устанавливают все электроды и включают ток силой 10-15 мА. Не следует вести электролиз при очень большой силе тока, так как это приводит к нагреванию электролита и усилению конвекционного перемешивания.

После окончания опыта закрывают верхние краны (чтобы не допустить перемешивания электролита) и отключают ток, растворы из катодного, анодного и среднего пространства сливают в отдельные стаканы, измеряют их объём и титруют медь иодометрическим способом. Одновременно катод кулонометра промывают, высушивают и взвешивают.

Рис. 3.4. Электрическая схема установки
для определения чисел переноса методом Гитторфа:

1 – ячейка; 2 – медный кулонометр; 3 – амперметр;
4 – реостат; 5 – источник постоянного тока

Для получения точных результатов по методу Гитторфа необходимо, чтобы на границе фаз электроды – электролит при пропускании тока не протекали побочные процессы (разряд молекул растворителя, совместный разряд ионов и т. п.). Время пропускания тока должно быть по возможности коротким, чтобы пренебречь вероятными изменениями концентрации в среднем пространстве сосуда.

Для того чтобы убедиться, что электролиз прерван прежде, чем изменилась концентрация раствора в средней части, исходный электролит титруют до начала опыта. Концентрация меди в среднем пространстве и в исходном электролите должна в пределах точности определения совпадать.