Номер переноса ионов

редактировать

Номер переноса ионов, также называемый переносом число, это доля от общего электрического тока, переносимого в электролите данным ионным компонентом $i {\ displaystyle i}$ $я$ ,

ti = I i I tot {\ displaystyle t_ {i} = {\ frac {I_ {i}} {I_ {tot}}}}

{\ displaystyle t_ {i} = {\ frac {I_ {i}} {I_ { tot}}}}

Различия в количестве транспортных средств возникают из-за различий в электрической мобильности. Например, в водном растворе хлорида натрия менее половины тока переносится положительно заряженными ионами натрия (катионами), а более половины - отрицательно заряженными ионами хлорида (анионами), потому что ионы хлорида способны движутся быстрее, т. е. ионы хлора обладают большей подвижностью, чем ионы натрия. Сумма чисел переноса для всех ионов в растворе всегда равна единице.

Концепция и измерение числа переноса были введены Иоганном Вильгельмом Хитторфом в 1853 году. Потенциал жидкостного перехода может возникать из-за ионов в растворе, имеющих другой перенос ионов числа.

При нулевой концентрации предельные числа переноса ионов могут быть выражены через предельные молярные проводимости катиона ( $λ 0 + {\ displaystyle \ lambda _ {0} ^ {+}}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {0} ^ {+}}$ ), анион ( $λ 0 - {\ displaystyle \ lambda _ {0} ^ {-}}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {0} ^ {-}}$ ) и электролит ( $Λ 0 {\ displaystyle \ Lambda _ {0}}$ $\ Lambda _ {0}$ ):

t + = ν + ⋅ λ 0 + Λ 0 {\ displaystyle t _ {+} = \ nu ^ {+} \ cdot { \ frac {\ lambda _ {0} ^ {+}} {\ Lambda _ {0}}}}

{\ displaystyle t _ {+ } = \ nu ^ {+} \ cdot {\ frac {\ lambda _ {0} ^ {+}} {\ Lambda _ {0}}}}

t - = ν - ⋅ λ 0 - Λ 0 {\ displaystyle t_ { -} = \ nu ^ {-} \ cdot {\ frac {\ lambda _ {0} ^ {-}} {\ Lambda _ {0}}}}

{\ displaystyle t _ {-} = \ nu ^ {-} \ cdot {\ frac {\ lambda _ {0} ^ {-}} {\ Lambda _ {0}}}}

где $ν + {\ displaystyle \ nu ^ {+}}$ ${\ displaystyle \ nu ^ {+}}$ и $ν - {\ displaystyle \ nu ^ {-}}$ ${\ displaystyle \ nu ^ {-}}$ - количество катионов и анионов соответственно на формульную единицу электролита. На практике молярные ионные проводимости рассчитываются на основе измеренных чисел переноса ионов и общей молярной проводимости. Для катиона $λ 0 + = T + ⋅ Λ 0 ν + {\ displaystyle \ lambda _ {0} ^ {+} = t _ {+} \ cdot {\ frac {\ Lambda _ {0}} {\ nu ^ {+}}}}$ ${\ displaystyle \ lambda _ {0} ^ {+} = t _ {+} \ cdot {\ frac {\ Lambda _ {0 }} {\ nu ^ {+}}}}$ , и аналогично для аниона.

Сумма чисел переноса катионов и анионов равна 1.

Содержание

1 Экспериментальное измерение
- 1.1 Метод Hittorf
- 1.2 Метод подвижной границы
- 1.3 Концентрационные ячейки
2 См. Также
3 Примечания
4 Внешние ссылки

Экспериментальные измерения

Есть два экспериментальных метода определения транспортных чисел. Метод Хитторфа основан на измерении изменений концентрации ионов вблизи электродов. Метод подвижной границы включает измерение скорости смещения границы между двумя растворами под действием электрического тока.

Метод Хитторфа

В методе Хитторфа электролиз проводят в ячейке с тремя отсеки: анод, центральный и катод. Измерение изменений концентрации в анодном и катодном отсеках определяет транспортные числа. Точное соотношение зависит от характера реакций на двух электродах. Для электролиза водного сульфата меди (II) (CuSO 4), например, с ионами Cu (водн.) И SO. 4(водн.), Катодная реакция представляет собой восстановление Cu (водн.) + 2 e → Cu (s), и анодная реакция представляет собой соответствующее окисление Cu до Cu. На катоде прохождение $Q {\ displaystyle Q}$ $Q$ кулонов электричества приводит к уменьшению $Q / 2 F {\ displaystyle Q / 2F}$ ${\ displaystyle Q / 2F}$ моль Cu, где $F {\ displaystyle F}$ $F$ - постоянная Фарадея. Поскольку ионы Cu переносят часть $t + {\ displaystyle t _ {+}}$ $t _ {+}$ тока, количество Cu, протекающего в катодное отделение, составляет $t + (Q / 2 F) {\ displaystyle t _ {+} (Q / 2F)}$ ${\ displaystyle t _ {+} (Q / 2F)}$ моль, поэтому чистое уменьшение Cu в катодном отсеке равно $(1 - t +) (Q / 2 F) знак равно T - (Q / 2 F) {\ displaystyle (1-t _ {+}) (Q / 2F) = t _ {-} (Q / 2F)}$ ${ \ displaystyle (1-t _ {+}) (Q / 2F) = t _ {-} (Q / 2F)}$ . Это уменьшение можно измерить с помощью химического анализа, чтобы оценить количество транспорта. Анализ анодного отсека дает вторую пару значений для проверки, в то время как в центральном отсеке не должно быть изменений концентраций, если диффузия растворенных веществ не привела к значительному перемешиванию во время эксперимента и не аннулировала результаты.

Метод подвижной границы

Этот метод был разработан британскими физиками Оливером Лоджем в 1886 году и Уильямом Сесилом Дампиром в 1893 году. Он зависит от движения границы между двумя соседними электролитами под действием электрического поля. Если используется цветной раствор, а граница раздела остается достаточно резкой, скорость движущейся границы может быть измерена и использована для определения чисел переноса ионов.

Катион индикаторного электролита не должен двигаться быстрее, чем катион, число переноса которого необходимо определить, и он должен иметь тот же анион, что и основной электролит. Кроме того, основной электролит (например, HCl) остается легким, поэтому он плавает на индикаторном электролите. CdCl 2 подходит лучше всего, потому что Cd менее подвижен, чем H, а Cl является общим как для CdCl 2, так и для основного электролита HCl.

Например, числа переноса соляной кислоты (HCl (водн.)) Могут быть определены электролизом между кадмиевым анодом и катодом Ag-AgCl. Анодная реакция представляет собой Cd → Cd + 2 e, так что раствор хлорида кадмия (CdCl 2) образуется около анода и перемещается к катоду во время эксперимента. кислотно-основной индикатор, такой как бромфеноловый синий, добавляют, чтобы сделать видимой границу между кислым раствором HCl и почти нейтральным раствором CdCl 2. Граница имеет тенденцию оставаться резкой, поскольку ведущий раствор HCl имеет более высокую проводимость, чем индикаторный раствор CdCl 2, и, следовательно, более низкое электрическое поле для проведения того же тока. Если более подвижный ион H диффундирует в раствор CdCl 2, он будет быстро ускоряться обратно к границе более сильным электрическим полем; если менее подвижный ион Cd диффундирует в раствор HCl, он замедлится в более низком электрическом поле и вернется в раствор CdCl 2. Также устройство сконструировано с анодом под катодом, так что более плотный раствор CdCl 2 образуется на дне.

Число переноса катионов ведущего раствора затем рассчитывается как $t + = z + c LAFI Δ t {\ displaystyle t _ {+} = {\ frac {z _ {+} cLAF} {I \ Delta t}}}$ ${\ display стиль t _ {+} = {\ frac {z _ {+} cLAF} {I \ Delta t}}}$ , где $z + { \ displaystyle z _ {+}}$ ${\ displaystyle z _ {+}}$ - заряд катиона, $c {\ displaystyle c}$ $c$ концентрация, $L {\ displaystyle L}$ $L$ расстояние, на которое проходит граница во времени $Δ t {\ displaystyle \ Delta t}$ $\ Delta t$ , $A {\ displaystyle A}$ $A$ площадь поперечного сечения, $F {\ displaystyle F }$ $F$ постоянная Фарадея и $I {\ displaystyle I}$ $I$ электрический ток.

Концентрационные ячейки

Это количество может быть рассчитано по наклону функции $ET = f (E) {\ displaystyle E _ {\ mathrm {T}} = f (E)}$ ${\ displaystyle E _ {\ mathrm {T}} = f (E)}$ двух ячеек концентрации., без ионного транспорта или с ним.

ЭДС клетки с транспортной концентрацией включает в себя как число переноса катиона, так и его коэффициент активности:

ET = - z RTF ∫ III t + d ln ⁡ a + / - {\ displaystyle E _ {\ mathrm {T}} = - z {\ frac {RT} {F}} \ int _ {I} ^ {II} t _ {+} d \ ln a _ {+/-}}

{\ displaystyle E _ {\ mathrm {T}} = - z {\ frac {RT} {F} } \ int _ {I} ^ {II} t _ {+} d \ ln a _ {+/-}}

где $a 2 {\ displaystyle a_ {2}}$ $a_ {2}$ и $a 1 {\ displaystyle a_ {1}}$ $a_ {1}$ - активности растворов HCl правого и левого электродов соответственно, и $t M {\ displaystyle t_ {M}}$ ${\ displaystyle t_ {M}}$ - транспортный номер Cl.

См. Также

Примечания

Внешние ссылки

Водные симпольные электролиты Solutions, HL Friedman, Felix Franks