电势-pH曲线的测定

1电势-pH曲线的测定实验报告姓名：何一白学号：2012011908班级：化22同组实验者姓名：热娜·博尔汗实验日期：2015年3月14日提交报告日期：2015年3月20日带实验的老师姓名：王振华1.引言（简明的实验目的/原理）1.1实验目的测定Fe3+/Fe2+体系的电势pH图，掌握测量原理和pH计的使用方法。1.2实验原理标准电极电势的概念被广泛应用于解释氧化还原体系之间的反应，但是很多氧化还原反应的发生都与溶液的pH值有关，此时，电极电势不仅随溶液的浓度和离子强度变化，还要随溶液的pH值而变化。在一定浓度的溶液中，改变其酸碱度，同时测定电极电势和溶液的pH值，然后以电极电势ε对pH做图，这样就制作出体系的电势—pH曲线，称为电势—pH图。溶液的平衡电极电势与溶液的浓度关系为：rexrexrexnFRTccnFRTnFRT0001001lg303.2lg303.2lg303.2在恒温及溶液离子强度保持定值时：rexccnFRTb002lg303.2一定温度下，体系的电极电势将于溶液中氧化态和还原态浓度比值得对数呈线性关系。本实验所讨论的是Fe3+/Fe2+—EDTA络合体系。体系的基本电极反应为：FeY-+e=FeY2-其电极电势为：2lg303.202FeYFeYccnFRTbEDTA过量情况下：23lg303.202FeFeccnFRTb在低pH时的基本电极反应为：FeY-+H+e=FeHY-pHFRTccnFRTbFeYFeY303.2lg303.2202pHFRTccFRTbFeFe303.2lg303.223'02在较高pH时为：Fe(OH)Y2-+e=FeY2++OH-pHFRTccnFRTKFRTbFeYYOHFeW303.2lg303.2lg303.22)(02pHFRTccnFRTKFRTbFeFeW303.2lg303.2lg303.22302可知，体系的电极电势和溶液的pH有关。2实验操作2.1实验仪器和药品表1主要仪器名称及型号名称型号超级恒温器WC109-05温度测量控制仪CK-1(B)滴定装置DZ-1pH计MODEL818表2药品名称及用量名称分子量需要量七水合硫酸亚铁278.001.65g乙二胺四乙酸二钠372.247g氯化铁162.501.03g2.2实验条件实验室温度：18.5C2.3实验操作步骤1、仪器装置玻璃电极，甘汞电极和铂电极分别插入反应器三个孔内，反应器的夹套通以恒温水，测量体系的pH采用pH计，测量体系的电势采用数字电压表。用电磁搅拌器搅拌。2、配置溶液用台秤称取7gEDTA，转移到反应器中，加40ml蒸馏水，加热溶解。冷却至25℃。称取1.03gFeCl3和1.65gFeSO4·7H2O，立即转移到反应器中，总用水量控制在80ml左右。3、电势和pH的测定调解超级恒温槽水温为25℃，并将恒温水通入反应器的恒温水套中，开动电磁搅拌器，用碱滴定管缓慢滴加1molNaOHdm3直至溶液pH=8左右，此时溶液为褐红色。测定此时溶液的pH值和电势值。用10ml微量酸滴定管，从反应器的一个孔滴入少量4molHCldm3，待搅拌数分钟，重新测定体系的pH值和电势值。如此，每滴加一次HCl后，测一个pH值和电势值，得出该溶液的一系列电极电势和pH值，直至溶液变混浊为止。33结果与讨论3.1原始实验数据表3电势-pH测量原始数据编号pHƐ(mV)编号pHƐ(mV)18.01-209145.23-104.527.72-193154.99-104.137.53-182164.61-104.047.33-171174.21-103.557.15-160183.99-102.866.97-149193.77-101.976.76-138203.56-100.486.60-130213.33-98.196.42-122.1223.15-95.5106.23-115.6232.96-91.7116.08-111.5242.80-87.3125.77-107.0252.62-81.3135.46-105.1262.59-79.73.2计算的数据、结果3.2.1电势-pH曲线使用Origin作出电势-pH曲线，并从图中读出络合体系中FeY-和FeY2-稳定存在的pH范围。2345678-220-200-180-160-140-120-100-80-60(mV)pH图1电势-pH曲线4从图中可以看出，在pH范围为3.9-5.5时，电势-pH曲线接近水平，可以认为FeY-和FeY2-稳定存在的pH范围为3.9-5.53.2.2实验现象实验开始时，加入各试剂，溶液整体呈褐红色，随着实验进行，发现到pH=2.59时，溶液开始变浑浊，实验结束。3.3讨论分析3.3.1关于脱硫液pH选择的讨论电势－pH图在实际工作中有广泛的应用，本实验讨论的体系可以用于天然气脱硫。天然气中含有的H2S，是有害物质。利用Fe3+—EDTA溶液可以与天然气中的H2S发生反应从而除去有害物质，同时溶液中Fe3+—EDTA络合物被还原为Fe2+络合物；通过不断通入空气使低铁络合物被氧化为Fe3+络合物，使溶液得到再生，就可以不断循环使用。其反应如下：2FeYHS2FeY2HS2FeY12OHO2FeY2OH22222脱硫再生在用EDTA络合铁盐法脱去天然气中的硫时，Fe3+/Fe2+络合体系的电势—pH曲线可以帮助我们选择较合适的脱硫条件。例如，低含硫天然气H2S含量均为0.1—0.6g/m3，在25℃时相应的H2S分压为7.3—43.6Pa，根据其电极反应S+2H++2e-=H2S(g)在25H2S的分压及pH的关系为=-0.072-0.0296lg2HS(p/atm)-0.0591pHPa（0.0001atm）在Fe3+/Fe2+EDTA络合体系的电势—pH曲线图上作pH直线，由图可见，对任何一定c0Fe3+/c0Fe2+比值的脱硫液而言，此脱硫液的电极电势与Fe3+/Fe2+EDTA络合体系电势之差值在电势平台内，随着pH的增大而增大，到平台区的pH上限时，两电极电势差值最大，超过此pH值时，两电极电势差值不再增大。这一事实表明，任何一个一定c0Fe3+/c0Fe2+比值的脱硫液在它的电势平台区的上限时，脱硫的热力学趋势达最大；超过此pH后，脱硫趋势保持定值而不再随pH增大而增加。将pH=2,5,8所对应的值列表如下：表4S/H2S体系pH与对应表pH258/mV-42.2-219.5-396.8在图1上作pH直线，见下图2。并求得直线与曲线交点处pH值为2.72，由图线可以看出从pH=6.7开始两电极电势差值达到最大，对于脱硫比较合适。因此合适的pH范围时6.7~8,在pH=8之后无实验数据，但根据实验图线推断可知高于8也同样是合理的。52345678-450-400-350-300-250-200-150-100-500(mV)pH图2两条电势-pH曲线关系图3.3.2误差分析整体来说本次实验操作应当基本合理，其产生的误差应当较小。但我认为以下几方面可能会是误差来源，需要在实验中注意。1、加入FeCl3时应当尽量迅速，否则其非常容易附着在纸上而无法全部倒入反应器，导致倒入质量减小，从而产生误差。2、磁子的旋转速度应当适当，从而使得溶液能够搅拌均匀，否则会使得pH计测量到的结果和实际溶液pH有误差。3、在读图过程中，可能会不够准确产生误差。4结论1、FeY-和FeY2-稳定存在的pH范围为3.9-5.52、利用EDTA络合物铁盐法脱除天然气时脱硫液pH选择在6.7~8之间或者高于8都是合理的。5参考文献[1]贺德华，麻英，张连庆编.基础物理化学实验.北京：高等教育出版社，2008.5.[2]朱文涛编著.基础物理化学.北京：清华大学出版社，2011.9.6附录（计算的例子、思考题等）6.1思考题1.写出Fe3+/Fe2+－EDTA络合体系在电势平台区、低pH和高pH时，体系的基本电极反应及其所对应的Nernst公式的具体形式，并指出每项的物理意义。答：电势平台区反应方程：FeY-+e=FeY2-其电极电势为：62lg303.202FeYFeYccnFRTbε02为此反应的标准电极电势，cFeY-和cFeY2-为FeY-和FeY2-的浓度。b2.303𝑅𝑇𝑛𝐹𝑙𝑔𝛾𝐹𝑒𝑌−𝛾𝐹𝑒𝑌2−在低pH时的基本电极反应为：FeY-+H+e=FeHY-pHFRTccnFRTbFeYFeY303.2lg303.2202pHFRTccFRTbFeFe303.2lg303.223'0ε0为此反应的标准电极电势，cFeY-和cFeHY-为FeY-和FeHY-的浓度。b′2.303𝑅𝑇𝑛𝐹𝑙𝑔𝛾𝐹𝑒𝑌−𝛾𝐹𝑒𝑌−在较高pH时为：Fe(OH)Y2-+e=FeY2++OH-pHFRTccnFRTKFRTbFeYYOHFeW303.2lg303.2lg303.22)(02pHFRTccnFRTKFRTbFeFeW303.2lg303.2lg303.22302ε0为此反应的标准电极电势，cFe(OH)Y2-和cFeY2-为Fe(OH)Y2-和FeY2-的浓度。Kw为水的离子积。b2.303𝑅𝑇𝐹𝑙𝑔𝛾𝐹𝑒(𝑂)𝑌2−𝛾𝐹𝑒𝑌2−2.复合电极有何优缺点？其使用注意事项是什么？答：复合电极优点是测量pH时使用方便，不必另外再选择参比电极，准确度高；缺点是在测定pH超过9的溶液时会产生“钠差”（在强碱性溶液中H+浓度很小，钠玻璃中的Na+扩散作用的影响相应增大），而且玻璃泡比较脆弱，需要比较小心。使用注意事项：pH电极一般要用蒸馏水或pH=4的缓冲溶液浸泡。使用前需要先标定，测量前用去离子水清洗并用滤纸吸干，并注意小心轻放；注意甩去球泡前端的气泡；避免在无水乙醇、浓硫酸等脱水性介质中使用。3.用酸度计和电位差计测电动势的原理各有什么不同？它们的测量精确度各是多少？答：电位差计是一种静态的测量仪器，是采用补偿法设计的一种平衡式电压测量仪器。其原理是在待测电池上并联一个大小相等、方向相反的外加电势差，这样待测电池中没有电流通过，从而外加电势差的大小即等于待测电池的电动势。电位差计使用灵敏度很高的检流计和电动势精确已知的标准电池，精确度可达10-5量级。酸度计是将仪器连接上甘汞电极和复合电极，通过测量电位差来读出电动势，它是一种动态的测量方法。酸度计的测量误差根据其级别不同也不同，对于0.01级的pH酸度计，其示值总误差为0.02pH，对7于0.001级酸度计，示值总误差可以达到0.01pH。6.2实验总结总体来说，这次实验比较成功，也比较顺利。我们组使用的是新型的pH计，虽然读数上没有旧的那么方便，但是准确性应该有一定提高。整个实验过程中，我觉得应当注意实验速度和实验准确性的平衡：如果每滴两三滴就看一次数据，那么整个实验过程的准确性肯定可以保证，不会出现两点之间间隔过大的情况；但这样同时会比较浪费时间，造成实验速度较慢。因此还应把握好实验节奏。这次实验让我对于pH计的使用进行了学习和巩固，也对测量电动势有关的一些理论知识进行了复习，收获很大。最后感谢老师实验前的耐心讲解，谢谢！