Робота № 10/3. Визначення чисел переносу іонів у розчинах електролітів

Мета роботи. Визначити числа переносу іонів Н⁺ і SO₄^2- у розчині сірчаної кислоти.

Методика роботи. При проходженні через розчин електроліту сталого електричного струму на катоді відбувається відновлення, на аноді - окиснення. Цей процес називається електролізом. При електролізі з інертними електродами в розчині Н₂SО₄ відбуваються такі електрохімічні процеси:

на катоді - ,

на аноді - .

Згідно з законом Фарадея (1) кількість речовини, що відновилась або окиснилась, n (молів) є пропорційною загальній кількості електрики е_F, що пройшла через розчин електроліту, і електрохімічному еквіваленту цієї речовини а. Для перетворення 1 г-екв речовини потрібно (число Фарадея).

. (1)

де m - маса речовини; I - сила струму;  - час.

При електролізі іони переносять електричні заряди в розчині.

Перенос електрики в розчині сірчаної кислоти здійснюється іонами Н₃О⁺ і SО₄^2- (концентрація ОН^- дуже мала).

Через кожен електрод проходять однакові кількості електричного струму, але кожен вид іонів переносить неоднакову частку електричного струму завдяки різним швидкостям руху іонів.

Кількість електричного струму, що переноситься катіонами та аніонами (j₊, j_-), є пропорційною їх заряду z, концентрації С (моль/см³) та швидкості спрямованого руху іонів (_) у розчині, яка дорівнює :

,

. (2)

Частку електричного струму, що переноситься катіонами або аніонами, називають числом переносу катіона або аніона (t₊; t_-)

. (3)

Таким чином, число переносу іона можна виразити відношенням абсолютної швидкості іона u_± до суми абсолютних швидкостей обох іонів.

Добуток абсолютної швидкості іона на число Фарадея називається еквівалентною електропровідністю (рухливістю) іона:

і . (4)

Відношення еквівалентних електропровідностей (рухливостей) іона та електроліта також дорівнює числу переносу:

; . (5)

Сума чисел переносу катіона та аніона дорівнює одиниці:

. (6)

Під час електролізу внаслідок переміщення іонів під впливом поля і перетворень на електродах відбувається зміна концентрації електроліту в розчині біля обох електродів. Визначивши цю зміну, можна знайти числа переносу по відношенню зміни кількості електроліту біля аноду (або катоду) до загальної кількості розкладеного електроліту (n):

, , (7)

де n_a - збільшення вмісту сірчаної кислоти в анодному просторі, а n_k - зменшення вмісту сірчаної кислоти в катодному просторі.

Загальна кількість електрики, що пройшла через розчин, визначається за допомогою кулонометрів.

Мідний кулонометр (ваговий) складається з мідних електродів - пластинок, занурених в розчин електроліту такого складу:

CuSO₄5H₂O – 150 г/л;

H₂SO₄ – 50 г/л;

C₂H₅OH – 50 г/л.

На межі поділу електрод - електроліт відбуваються процеси

(на катоді);

(на аноді).

Визначення кількості електрики, що пройшла через розчин, проводиться за рівнянням

, (8)

де m - маса міді, яка виділилась на катоді, г; 31,77 - хімічний еквівалент міді.

Порядок роботи. Схему пристрою для визначення чисел переносу іонів наведено на рисунку.

1. Перед початком досліду катод (мідну пластинку) чистять наждачною шкіркою, промивають дистильованою водою та ацетоном, висушують на повітрі і зважують на аналітичних терезах.

2. У мідний кулонометр наливають електроліт - розчин такого складу:

CuSO₄5H₂O - 150 г/л; H₂SO₄ - 50 г/л; C₂H₅OH - 50 г/л.

3. Зважують пусті анодну і катодну посудини.

4. У посудини електролізера наливають 100 мл 0,05 н H₂SO₄.

5. Зважують посудини з розчином кислоти. Із різниці знаходять масу розчину в кожній з посудин.

6. Підключають електролізер до пристрою і пропускають струм силою 20 - 40 мА протягом 1-1,5 год.

7. Під час протікання електролізу визначають початкову концентрацію H₂SO₄. Для цього 10 мл розчину кислоти відтитровують 0,05 н розчином їдкого натру в присутності метилового оранжевого.

8. Після електролізу з катодної й анодної посудини відбирають піпеткою дві - три проби по 10 мл і титрують їх 0,05 н розчином їдкого натру.

9. Катод мідного кулонометра після промивання і просушування зважують на аналітичних терезах.

Схема пристрою для визначення чисел переносу іонів: 1 - джерело постійного струму; 2 - реостат; 3 - електролізер для визначення чисел переносу іонів (а - анодна посудина, к - катодна посудина); 4 - міліамперметр; 5 - мідний кулонометр.

10. Експериментальні дані заносять у таблицю:

№ проби	Об'єм титрованого розчину на 10 мл проби, см3
	до електролізу	після електролізу
		анодний шар	катодний шар	середній шар
1
2
3
середне

Форма звіту.

Час електролізу:

початок, год, хв.

Кінець, год, хв.

Тривалість, хв

Сила струму, мА.

Концентрація розчину для титрування С, г-екв/л.

Об'єм шару, см³

катодного V_к

анодного V_а

середнього V_сер

Визначення загальної кількості розкладеного електроліту у мідному кулонометрі.

Маса мідного катоду, г:

до електролізу

після електролізу

Маса осадженої міді, г

n = г-екв.

Обчислення чисел переносу. Під час електролізу сірчаної кислоти число переносу аніона дорівнює відношенню зміни кількості кислоти біля аноду або катоду (n_a або n_k) до загальної кількості розкладеного електроліту n:

, причому

г-екв., (9)

де V_NaOH,1 і V_NaOH,2 - середні об'єми лугу, що витрачався на титрування V см³ анодного розчину до і після досліду, см³; V_a - об'єм рідини з анодного простору, см³; С_NaOH - концентрація титрованого розчину лугу, г-екв/л.

Число переносу катіона , або______.

Аналогічно обчислюють n_k і t(SO₄^2-) за зменшенням кислоти в катодному просторі.

Обчислення чисел переносу

Число переносу аніона (катїона):

по анодному шару

по катодному шару

Середнє значення числа переносу аніона (катіона)

Число переносу катіона (аніона)

Література: [21, с. 180-188, 199-206; 23, с. 235-240, 252-261; 25, с. 249-253, 271-277; 26, с. 122-123].