CuSO4在混合溶剂中离子迁移数的研究

杨绳岩　孟祥珍

【摘 要】离子迁移数在化学及电化学研究领域中是一个重要的参数，对研究电解质溶液有着重要的作用。本文以《物理化学实验》中离子迁移数的测定为基础，采用希托夫法的測定方法研究CuSO4在混合溶剂中离子迁移数的变化规律。选择三个不同的研究体系，分别为固定CuSO4的浓度，改变乙醇在混合溶剂中的质量分数；固定CuSO4的浓度和混合溶剂中水的体积，改变混合溶剂中的另一种溶剂（甲醇、异丙醇）；固定10%乙醇的混合溶剂，改变CuSO4的浓度，从而寻找离子迁移数的变化规律。

【关键词】希托夫法；离子迁移数；混合溶剂

在化学及电化学领域中，离子迁移数是一个重要的参数，对研究电解质溶液、电极过程动力学、自发电池、电解电镀过程以及生物化学反应等都具有重要作用[1]。测定离子迁移数有助于了解离子的性质，如从离子迁移数与电导入手，通过研究电解质溶液中离子的迁移性质，并结合电解质的极限摩尔电导，得到单离子极限电导，从而可以比较直观地表征溶液中离子的溶剂化性质[2]。另外，研究影响电解质中离子迁移数的各种因素，可以明确体系中各种组分之间的相互作用，探讨离子导电的机理，为设计、合成和应用新型电解质溶液提供重要的理论指导[3]。

离子迁移数的测定是物理化学和物理化学实验研究中的一个重要内容，目前文献报道较多的是对离子迁移数在单一溶液中测量方法的改进和测量仪器的研究[4]，而对离子迁移数在混合溶剂中的研究较少报道。在单一溶剂的基础上，研究离子迁移数在混合溶剂中的变化规律，对于更好地理解和应用离子迁移数有着重要的意义。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

CuSO4·5H2O（A.R.）；硫代硫酸钠（A.R.）；碘化钾（A.R.）；醋酸（A.R.）；可溶性淀粉（C.P.）；硝酸（A.R.）；浓硫酸（A.R.）；无水乙醇（A.R.）；甲醇（A.R.）；异丙醇（A.R.）。

HTF-7B离子迁移数测定装置；希托夫管；铜库仑计；电子天平（一台）。

1.2 实验步骤

在希托夫迁移管中装入CuSO4混合溶液，排尽迁移管中的气泡，并使迁移管的两A、B活塞处于导通状态。将库仑计中阴极铜片取下，先用细砂纸磨光，除去表面氧化层，放在6mol/L硝酸溶液中洗涤，再用蒸馏水洗净，后用乙醇淋洗并吹干，在分析天平上称重记为m1，装入库仑计中。连接好迁移管、离子迁移数测定仪和库仑计，接通电源，调节电流强度为10mA左右，连续通电90min[5]。

在电解时间内，取10ml原CuSO4混合溶液加入50ml的锥形瓶中，称量锥形瓶和溶液的总质量，向锥形瓶中加入5ml10﹪碘化钾溶液及10ml HAc溶液，用0.05mol/LNa2S2O3溶液滴定至淡黄色，然后加入1ml淀粉指示剂，再滴至紫色消失，记录所用硫代硫酸钠的体积VNaS2O3，1（ml）。

停止通电后，立即关闭A、B活塞，使三室隔开，以免扩散。从库仑计中取出阴极铜片，用水冲洗后，淋以乙醇并吹干，称其重量记为m2。用250ml锥形瓶迅速取出阳极区溶液称重，并用同样的方法滴定分析阳极区CuSO4溶液的Cu2+浓度，记录所用硫代硫酸钠的体积VNaS2O3，，2（ml）。将所得数据处理[6]，代入公式tCu2+=n迁/ n电，即可求得Cu2+的迁移数。

2 结果与讨论

本论文选择三个不同的研究体系，研究CuSO4溶液中Cu2+的离子迁移数的变化规律。讨论结果如下：

2.1 不同的溶剂质量分数的影响

固定CuSO4溶液的浓度为0.05mol/L，改变乙醇在水和乙醇混合溶剂中的质量分数，分别为0%，5%，10%，15%，20%，测得的实验数据及计算结果如表1所示。

根据表1中的数据，以tCu2+为纵坐标，乙醇的质量分数为横坐标绘制曲线，得图1。

图1 不同溶剂质量分数对离子迁移数的影响

Figure 1 Effects of different solvents on ion transference number

从图1的曲线可以发现，Cu2+的迁移数随着混合溶剂中乙醇的质量分数的增加而增大。

2.2 不同极性的溶剂的影响

固定CuSO4的浓度为0.05mol/L和混合溶剂中水的质量分数为90%，改变混合溶剂中的另一种溶剂的极性，如甲醇、乙醇、异丙醇，测得的实验数据及计算结果如表2所示。

表2 研究体系2的实验数据

Table 2 Experimental data of reserach system two

甲醇，乙醇和异丙醇的极性顺序为甲醇>乙醇>异丙醇，而表2中离子迁移数的计算结果表明：Cu2+的迁移数随混合溶剂中另一种溶剂极性的减小而增大。

2.3 不同CuSO4浓度的影响

固定10%乙醇的混合溶剂，改变CuSO4的浓度，分别为0.01mol/L，0.05mol/L，0.10mol/L，0.50mol/L，1.00mol/L，测得的实验数据及计算结果如表3所示。

根据表3中的数据，以tCu2+为纵坐标，CuSO4的浓度为横坐标绘制曲线，得图如下所示。

从图2曲线不难发现：Cu2+的迁移数随Cu2+浓度的增大而减小。这主要是因为随着溶液浓度的不断增大，离子间相互引力较大，正、负离子的速率均减慢，导致离子迁移数减小。这与离子在单一溶剂中的变化规律是一致的。

3 结论

本文采用希托夫法、选择三个不同的研究体系测定了CuSO4溶液在混合溶剂中的Cu2+离子迁移数，并得到了不同研究体系的离子迁移数的变化规律。Cu2+的迁移数随着混合溶剂中乙醇的质量分数的增加而增大；随混合溶剂中另一种溶剂极性的减小而增大；随Cu2+浓度的增大而减小。

【参考文献】

[1]张锁江.电解质溶液的热力学性质和传递性质[D].杭州：浙江大学，1994.

[2]潘焕泉.含水和混合溶剂电解质溶液热力学性质的研究[D].杭州：浙江大学， 1990.

[3]姚加，闫卫东，谢学鹏，等.NaBr在乙醇-水体系中298.15K下的离子迁移数[J].浙江大学学报：自然科学版，1999，33（01）：33-39.

[4]张国林，刘正铭.希托夫离子迁移数测定仪的改进[J].实验室研究与探索，2000，04：100-101.

[5]庄继华.物理化学实验[M].3版.北京：高等教育出版社，2004.

[6]王丽芳，康艳珍.物理化学实验[M].北京：化学工业出版社，2007.

[责任编辑：杨玉洁]