3.3 电解质溶液的电迁移

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3.3 电解质溶液的电迁移

2024-05-26 11:02| 来源: 网络整理| 查看: 265

3.3 电解质溶液的电迁移

在外电场作用下溶液中的荷电离子将从杂乱无章的随机运动转变为沿一定方向的运动。离子在电场力推动下进行的运动,叫做电迁移。电解质溶液导通电流的能力主要基于溶液中离子在电场作用下于两电极间发生的定向电迁移作用。离子发生电迁移时,单位时间单位面积上通过的离子物质的量,称为电迁流量。

3.3.1 电解质溶液的电导率

(1)电导率。不同的导体具有不同的导电能力。在金属导体中银的导电能力最好,铜次之。一般说来,电解质溶液的导电能力要比金属小得多。为了比较不同物质的导电能力的大小,需要引入电导率的概念。实验结果表明,导体的电阻R与其长度l成正比,而与其横截面积A成反比:

  (3-14)

式中,ρ是比例常数,称为电阻率。

电阻率的倒数称为电导率,用符号κ表示,即

  (3-15)

κ的单位是S/m或S/cm。由于电阻的倒数称为电导,故κ是指长为1m、截面积为1m2的导体的电导,或是1m3导体的电导。如Cu的κ为6.452×107S/m,1000℃下NaCl熔融液为417S/m,18℃下饱和NaCl水溶液为21.4S/m,18℃下1.0mol/L的NaCl水溶液为7.44S/m。

电解质离解度、离子电荷数、溶剂的离解度与黏度、溶液的浓度、温度等因素均对电解质溶液的电导率有很大的影响。影响溶液导电能力的因素可分为两类:一类是量的因素,指溶液中含有的导电离子的数量及离子电荷数的多少;另一类则是质的因素,即离子运动速度的快慢。

对同一种电解质水溶液在不同温度时的电导率与电解质浓度的关系如图3-5所示。在溶液浓度很低时,随着浓度增加单位体积中离子数目增多,量的因素是主要的,故电导率增大。若溶液浓度过大,则离子间相互作用力相当突出,对离子运动速度的影响很大,遂使质的因素占了主导地位,电导率又将随浓度的增大而减小。因此电解质溶液电导率与浓度关系中会出现极大值。升高温度,溶液的黏度下降,因而离子迁移速度加大,故电导率往往随温度的升高而增大。

图3-5 电解质水溶液电导率与温度和浓度的关系

(2)摩尔电导率。金属导体只靠电子导电,而且导体中电子浓度极高,所以比较电导率就能看出它们在导电能力上的差别。电解质溶液则不然,它们靠离子导电,各种离子的电荷数可能不同,单位体积中离子的数量(浓度)也可能不同。因此不能用电导率来比较电解质的导电能力,需要引入摩尔电导率的概念。

在两个距离为单位长度的平行板电极间的溶液中含有1mol电解质时,溶液所具有的电导就是摩尔电导率Λm。由于浓度c不同,含1mol电解质溶液的体积也不同,所以摩尔电导率显然是电导率乘以含1mol电解质溶液的体积Vm,即:

  (3-16)

式中,Λm的单位为S·m2/mol,c的单位为mol/m3。

(3)当量电导率。摩尔电导率虽然规定了电解质的量和两平行电极间的距离,但电解质溶液的电导还与离子所带的电荷数和离子的运动速度有关。因此,当我们比较不同电解质的导电能力时都把带有1mol单位电荷的物质作为基本单元,这样负载的电流量才相同。所以指定物质的基本单元是十分重要的。例如,对于HCl、H2SO4、La(NO3)3、Al2(SO4)3,它们的基本单元分别是HCl、1/2H2SO4、1/3La(NO3)3、1/6Al2(SO4)3。在两个距离为单位长度的平行板电极间放置含有1mol单位电荷的溶液,此时溶液所具有的电导称为当量电导率Λ。如对于H2SO4,Λ=0.5Λm。

设溶液中某电解质离解为正、负两种离子,其浓度分别为c+和c-(mol/m3),离子价数分别为z+和z-。定义cN为该电解质的当量电荷浓度,当完全电离时有cN=z+c+=c-。如c=1mol/L的HCl溶液,cN=c=1mol/L;而c=1mol/L的H2SO4溶液,cN=2c=2mol/L。显然当量电导率可以表示为:

  (3-17)

式中,Λ的单位为S·m2/mol,cN的单位为mol/m3。

(4)极限当量电导率与极限摩尔电导率。由于电解质溶液在不同浓度时,离子间的相互作用不同,因而离子的运动速度也不同,这就导致了对溶液导电能力的影响。只有当溶液无限稀释,离子间的距离增大到离子间相互作用可以忽略时,这时各个离子的速度才是个定值。

实验结果表明,随溶液浓度降低,当量电导率逐渐增大并趋近于一个极限值。对于弱电解质(如CH3COOH),由于浓度减小,电离度增大,参与导电的离子数增多,故Λ增大。对于全部解离的强电解质(如KCl、HCl等),由于浓度减小,离子间相互作用减弱,离子移动所受阻力减小,所以Λ增大。我们把无限稀溶液的当量电导率称为极限当量电导率Λ0。可以认为这时电解质完全解离,且离子间相互作用力消失。所以用极限当量电导率来比较电解质的导电能力才是最合理的。

对于强电解质,在非常稀(cN



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