电势-PH曲线实验报告0001

基础化学实验

基础化学实验

实验十二 电势-pH曲线的测定

姓名：赵永强

指导教师：吴振玉一

、目的要求掌握电极电势、电池电动势及 pH的测定原理和方法。了解电势-pH图的意义及应用。测定Fe3+/Fe2+-EDTA溶液在不同pH条件下的电极电势，绘制电势

、目的要求

掌握电极电势、电池电动势及 pH的测定原理和方法。

了解电势-pH图的意义及应用。

测定Fe3+/Fe2+-EDTA溶液在不同pH条件下的电极电势，绘制电势-pH 曲线。

二、实验原理

很多氧化还原反应不仅与溶液中离子的浓度有关， 而且与溶液的pH值有关,

即电极电势与浓度和酸度成函数关系。 如果指定溶液的浓度，则电极电势只与溶

液的pH值有关。在改变溶液的pH值时测定溶液的电极电势，然后以电极电势 对pH作图，这样就可得到等温、等浓度的电势一 pH曲线。

对于Fe3+/Fe2+-EDTA配合体系在不 同的pH值范围内，其络合产物不同，以 Y4-代表EDTA酸根离子。我们将在三个不 同pH值的区间来讨论其电极电势的变化。

①高pH时电极反应为

Fe（OH）Y2+e 二 FeY2-+OH-

根据能斯特（Nernst）方程，其电极电势为：

（标准）

%⑺◎

a Fe(OH)Y2-

稀溶液中水的活度积 成

Kw可看作水的离子积，又根据 pH定义，则上式可写

（标准）

—b1 —

RTln

m(FeY2)

叫 Fe(OH)Y 2)

2.303RT

F

pH

RT （FeY2） Kw

其中b1= ln 厂。

F （Fe（OH）Y2 ）

在EDTA过量时，生成的络合物的浓度可近似看作为配制溶液时铁离子的浓

2- 2+ 2+ 3 +

度。即mFeY mFe 。在mFe / mFe不变时， 与pH呈线性关系。如图中的

cd段。

②在特定的PH范围内，Fe2+ft Fe3+能与EDTA生成稳定的络合物FeY2-和 FeY-，其电极反应为

FeY- + e = FeY2-

其电极电势为

（标准）RTFln

（标准）

RT

F

ln

aFeY2

aFeY-

式中,

式中,

浓度）

（标准）为标准电极电势；a为活度，a = ? m（为活度系数；m为质量摩尔

则式（1）可改写成

（标准）RTlnFeY2-FeY-巴ln业F

（标准）

RTln

FeY2-

FeY-

巴ln业

F 叫 eY-

?— b2 -五业

F 叫eY-

式中,

b2=

RTln

FeY2-

。

FeY

FeY-

当溶液离子强度和温度一定时,b

当溶液离子强度和温度一定时,

b2为常数。在此pH范围内，该体系的电极

电势只与

电势只与

2- -

mFeY /mFeY的值有关，曲线中出现平台区（上图中 bc段）

③低pH时的电极反应为

则可求得：

FeY+H++e ——FeHY

（标准）

—b2—

RT “ ％HY-

F 叫 eY-

2.303RT

F

pH

2+ 3+

在mFe / mFe不变时,

与pH呈线性关系。如图中的ab段

(NH

(NH4)2Fe(SO4)2 ? 6H2O

(NH4)Fe(SO4)2 ? 12H2O

HCl

NaOH

EDTA

铂电极

N2(g)

滴管

三、仪器试剂

数字电压表

数字式pH计

500ml五颈瓶（带恒温套）

电磁搅拌器

药物天平（100 g）

复合电极

温度计

50容量瓶

四、实验步骤

1、按图接好仪器装置图

水

3

酸度计 2.数字电压表 3.电磁搅拌器 4.复合电极 5.饱和甘汞电极 6.铂

电极 7.反应器

仪器装置如图 I 24.2 所示。复合电极，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 数字压表。用电磁搅拌器搅拌。

2、配制溶液

预先分别配置 0.1mol/L(NH 4)2Fe(SO4)2, 0.1 mol/L (NH 4)Fe(SO4)2 (配前加 两滴 4 mol/L HCl), 0.5 mol/L EDTA (配前加 1.5 克 NaOH), 4 mol/L HCl , 2 mol/L NaOH 各 50ml。然后按下列次序加入：50ml0.1mol/L(NH 4)2Fe(SO4)2, 50ml0.1 mol/L (NH 4)Fe(SO4)2，60ml0.5 mol/L EDTA ，50ml 蒸馏水，并迅速通 N2。

3、 将复合电极、甘汞电极、铂电极分别插入反应容器盖子上三个孔，浸于液面 下。

4、 将复合电极的导线接到 pH 计上，测定溶液的 pH 值，然后将铂电极，甘汞电

极接在数字电压表的“＋” 、“－”两端，测定两极间的电动势，此电动势是相对 于饱和甘汞电极的电极电势。用滴管从反应容器的第四个孔 (即氮气出气口 )滴入

少量 4mol/LNaOH 溶液，改变溶液 pH 值，每次约改变 0.3，同时记录电极电势 和 pH 值，直至溶液 PH=8 时，停止实验。收拾整理仪器。

五、实验数据记录与处理

pH值

电势 /mv

pH值

电势/mv

9.28

-5.4

5.86

122.3

8.96

12.2

5.6

122.8

8.9

15.6

5.28

123.1

8.81

20.6

4.49

123.5

8.69

28

4.04

124.5

8.09

61.8

3.67

126.6

7.81

76.3

3.4

129.2

7.51

91.3

3.26

131.3

7.16

105.9

3.11

134

6.8

115.4

3

136.8

6.59

118.4

2.88

140.1

6.51

119.2

2.78

143.3

6.33

120.5

2.72

144.9

6.11

121.3

2.62

149.2

6.07

121.8

2.53

152.6

5.96

122

200电劳-pH曲线

200

电劳-pH曲线

PH

六、讨论

电势-pH图的应用

电势-pH图对解决在水溶液中发生的一系列反应及平衡问题 (例如元素分

离，湿法冶金，金属防腐方面)，得到广泛应用。本实验讨论的 Fe3+/Fe2+-EDTA 体系，可用于消除天然气中的有害气体 H2S。利用Fe3+-EDTA溶液 可将天然气 中H2S氧化成元素硫除去，溶液中Fe3+-EDTA络合物被还原为Fe2+-EDTA配合 物，通入空气可以使F0-EDTA氧化成Fe3+-EDTA，使溶液得到再生，不断循 环使用，其反应如下：

脱硫 +

2FeY +H2S 2FeY2+2H++S

-1 再生

2FeY2 + — O2+H2O 再生 2FeY +2OH

2

在用EDTA络合铁盐脱除天然气中硫时，Fe3+/Fe2+-EDTA络合体系的电势 -pH曲线可以帮助我们选择较适宜的脱硫条件。

　例如，低含硫天然气H2S含量约 1 X 10-4?6X 10-4 kg ? m-3,在 25C 时相应的 H2S 分压为 7.29?43.56Pa

根据电极反应

S+2H++2e—H2S(g)

在25r时的电极电势 与H2S分压ph2s的关系应为:

(V) = — 0.072- 0.02961lpH2s— 0.0591pH

在图2-17-1中以虚线标出这三者的关系。

3+ 2+

由电势-pH图可见，对任何一定 mFe / mFe比值的脱硫液而言，此脱硫液 的电极电势与反应 S+2H++2e H2S(g)的电极电势之差值，在电势平台区的 pH

范围内，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,两电极电势值不再增大而为定值。这一事实表明，任何具有一定的

3 + 2+

mFe / mFe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，由此可知，根 据-pH图，从热力学角度看，用EDTA络合铁盐法脱除天然气中的 H2S时， 脱硫液的pH选择在6.5?8之间，或高于8都是合理的，但pH不宜大于12,否 则会有Fe(0H)3沉淀出来。

七、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

反应及其所对应的电极电势公式的具表示式，并指出每项的物理意义。

高pH时电极反应为

Fe(OH)Y2-+e 一 FeY2-+OH-

其电极电势为：

(标准)—b1 —RTF

(标准)

—b1 —

RT

F

In

m^-

mFe(OH)Y2-

2.303RT

F

pH

其中b1 =RTln

其中b1 =

RTln

2

(Fe(OH)Y2 )

在EDTA过量时，生成的络合物的浓度可近似看作为配制溶液时铁离子的浓度。 即mFeY

mFe 。在mFe2+/ mFe3+不变时，0与pH呈线性关系。

在特定的PH范围内，Fe2+和Fe3+能与EDTA生成稳定的络合物 FeY2-和FeY-，其电

极反应为：

FeY- + e — FeY2-

其电极电势为：

式中,RT ,(标准)—

式中,

RT ,

(标准)— ln

(FeY2-)

RT

ln

m(FeY2-)

=o — b2—巴 In

m( FeY2-)

F

(FeY-)

F

m(FeY-)

F

m( FeY-)

(FeY-)。当溶液离子强度和温度一定时,

(FeY-)

RTln

b2为常数。在此pH范围内，该

体系的电极电势只与 mFeY2/mFeY的值有关，曲线中出现平台区。

低pH时的电极反应为

FeY-+H++e — FeHY-

则可求得：

(标准)—b2—学ln皿警^h

F 讥FeY-) F

在mFe2+/ mFe3+不变时，o与pH呈线性关系。

2?脱硫液的 mFe3 + / mFe2+比值不同，测得的电势一 PH曲线有什么差异? 答：当脱硫液的 mFe / mFe"比值不同时影响电势一 PH曲线的斜率。

八、注意事项

搅拌速度必须加以控制，防止由于搅拌不均匀造成加入 NaOH时，溶液上部出现少量的

Fe(OH) 3沉淀。

甘汞电极使用时应注意 KCL 溶液需浸没水银球，但液体不可堵住加液小孔。