硫酸钙溶度积的测定

实验2-7 难溶强电解质溶度积常数Ksp的测定

一、 实验目的

1、 了解极稀溶液浓度的测量方法；

2、 了解测定难溶盐Ksp的方法；

3、 巩固活度、活度系数、浓度的概念及相关关系。

二、 实验原理

在一定温度下，一种难溶盐电解质的饱和溶液在溶液中形成一种多项离子平衡，一般表示式为：

这个平衡常数Ksp称为溶度积常数，或简称溶度积，严格地讲Ksp应为相应个离子活度的乘积，因为溶液中个离子有牵制的作用，但考虑的难容电解质饱和溶液中离子强度很小，可警世的用浓度来代替活度。

就AgCl而言

从上式可知，若测出难溶电解质饱和溶液中个离子的浓度，就可以计算出溶度积Ksp。因此测量最终还是测量离子浓度的问题。若设计出一种测量浓度的方法，就找到了测量Ksp的方法。

具体测量浓度的方法，包括滴定法（如AgCl溶度积的测定），离子交换法（如CuSO4溶度积的测定），电导法（如AgCl溶度积的测定），离子电极法（如氯化铅溶度积的测定），电极电势法（Ksp与电极电势的关系），即分光光度法（如碘酸铜溶度积的测定）等，以下分别加以介绍。

Ⅰ、硫酸钙溶度积常数的测定（离子交换法）

一、 实验目的

1、 练习使用离子交换树脂的方法；

2、 了解离子交换测硫酸钙溶解度、溶度积的的原理和方法。

3、 进一步练习酸碱滴定、常压过滤等基本操作。

二、 实验原理

离子交换树脂是一类人工合成的，在分子中含有特殊活性基团能与其他物质进行离子交换的固态、球状的高分子聚合物，含有酸性基团而能与其他物质交换阳离子的为阳离子交换树脂，含有碱性基团而能与其他物质交换阴离子的为阴离子交换树脂。最常用的聚苯乙烯磺酸型树脂是一种强酸性阳离子交换树脂，其结构式可表示为：

本实验是用强酸性阳离子交换树脂（用R-SO3H表示）（型号732）交换CaSO4饱和溶液中的Ca2+，其交换反应为：

2R- SO3H + Ca2+ → (R SO3)2 Ca + 2H+

由于CaSO4是微溶盐，其溶解度部分除了Ca2+和SO42-以外，还有以离子对形式存在的CaSO4，因此饱和溶液中存在着离子对和简单离子间的平衡：

CaSO4(aq)= Ca2+ + SO42-

当溶液流经交换树脂时，由于Ca2+离子被交换平衡向右移动，CaSO4（ag）解离，结果全部被交换成H+，从流出液的[H+]可计算CaSO4的摩尔溶解度y:

[H+]可用pH仪测出，也可由标准NaOH溶液滴定得出，这里介绍滴定法。

设饱和CaSO4溶液中[Ca2+]=C，则[SO42-]=C，则[CaSO4(aq)]=y – c

且

Kd为离子对解离常数，25℃时Kd=5.2×10-3则

，

由方程求出C，并根据溶度积定义 ，由Ksp=[Ca2+][SO42-]=C2, 求出Ksp。

三、 实验步骤

1. 装柱 将离子交换柱（可用碱式滴定管代用）洗净，底部填以少量玻璃纤维或脱棉脂，称取一定数量的732强酸型阳离子交换树脂，放入小烧杯中，加蒸馏水浸泡，搅拌，除去悬浮的颗粒及杂质后，与水一起转移到离子交换柱中，打开交换柱下端旋钮夹子，让水慢慢流出，直到液面高于树脂1cm左右为止，夹紧螺旋夹，若有气泡，让玻棒插入树脂中赶走气泡，以后操作过程，均应使树脂泡在溶液中。气泡赶走后，在树脂上方加少量玻璃纤维（或棉花）。

2. 转型 为保证Ca2+完全交换成H+，必须将Na+型树脂完全转变成型H+，取40ml 2mol/L的HCl溶液分批加入交换柱，控制每分钟80－85滴流速让其通过离交树脂，HCl溶液流完后，保持10分钟后。[注意：如果用的是酸处理好的树脂，可在装柱后直接按下法处理]，用50-70ml的蒸馏水淋洗树脂，直到流出液的pH为6－7（用pH试纸检验）。

3. 硫酸钙饱和溶液的制备 将1克分析纯CaSO4固体置于约70mL经煮沸后、又冷却至室温的蒸馏水中，搅拌10分钟后静置5分钟，用定量滤纸过滤（滤纸、漏斗和抽滤瓶均应干燥），滤液即为CaSO4饱和溶液。

4. 交换 用移液管取20.00 mL饱和CaSO4溶液，注入离交柱内，控制交换柱流出液的速度为20-25滴/分钟，用洗净的锥形瓶承接流出液。在饱和溶液差不多完全流进树脂床时，加蒸馏水洗涤树脂（约50mL水分批淋洗）至流出液的pH为6－7。在整个交换和淋洗过程中注意勿使流出液损失。

5. 氢离子浓度的测定 酸碱滴定法，流出液加2滴溴百里酚酞指示剂，用标准NaOH溶液滴定，当溶液由黄色转变为鲜明的蓝色即为滴定终点。精确纪录所用的NaOH溶液体积，按下式计算溶液中的氢离子的浓度。

四、 数据记录及结果

CaSO4 饱和液温度

通过交换柱的饱和溶液体积（mL）

NNaOH (moL/L )

VNaOH (mL)

[H+] moL/L

CaSO4的溶解度y

CaSO4的溶度积 Ksp

计算时Kd近似取25℃的数据，将计算过程写进实验报告。

误差分析，根据CaSO4的溶解度的文献值来算误差，并讨论误差产生的原因。

五、 思考题

1、 操作过程中为什么控制液体流速不宜太快？ 树脂层为什么不允许有气泡的存在？ 应如何避免？

2、 如何根据实验结果计算CaSO4的溶度积？

3、 制备硫酸钙饱和溶液时，为什么要使用已除去CO2的蒸馏水？

4、 影响最终测定结果的因素有哪些？通过影响因素分析，你认为整个操作过程中的关键步骤是什么？

5、 以下情况对实验结果有何影响?

1) 转型时，树脂未完全转换为H+型。

2) CaSO4饱和液未冷却至室温就过滤。

3) 过滤CaSO4饱和液的漏斗和接受瓶未干燥。

4) 转型时，流出的淋洗液未达中性就停止淋洗并进行交换。

附 CaSO4的溶度积的文献值

T ℃

0

10

20

30

40

溶解度×102mol/L

1.29

1.43

1.50

1.54

/

g/100g

0.1759

0.1928

/

0.2090

0.2097

阅读材料

离子交换技术

将化合物通过装有离子交换树脂的离子交换柱后，由于离子键地交换而得到相应产物的方法被称为离子交换法。该法广泛用于元素的分离、提取、纯化、有机物的脱色精制、水的净化以及用作反应的催化剂等方面，离子交换法所需要的物品包括相应的离子交换树脂和离子交换柱等。

离子交换树脂包括天然的和合成的两大类别，其中比较重要的是人工合成的有机树脂，它主要是利用苯乙烯和二乙烯苯交联成高聚物作为树脂的母体结构，然后再连接上相应的活性基团而合成的。人工合成的离子交换树脂是一种不溶性的具有网状结构的含有活性基团的高分子聚合物，在网状结构的骨架上有许多可以电离的能和周围溶液中的某些离子进行交换的活性基团，离子交换树脂的网状结构在水或者酸、碱性溶液中极难溶解，且对于多数有机溶剂、氧化剂、还原剂及热均不发生作用。

一． 离子交换树脂的分类

因所带基团和起的作用不同，离子交换树脂又可以分为可与阳离子发生交换反应的阳离子交换树脂、阴离子交换树脂及具有特殊功能的离子交换树脂等类别。

1．阳离子交换树脂 阳离子交换树脂是带有酸性交换基团的树脂，这些酸性基团包括磺酸基（-SO3H）、羧基（-COOH）、酚羟基（-OH）等。在这些树脂中，他们的阳离子可被溶液中的阳离子所交换，根据活性基的酸碱性的强弱不同，将阳离子交换树脂再细分为强酸性阳离子交换树脂（活性基为-SO3H），如国产的732型树脂（新牌号001-100#），中等酸性阳离子交换树脂（活性基为-PO3H2）（国产新牌号401-500#）和弱酸性阳离子交换树脂（活性基为-CO2H、-C6H4OH等）（如724型，新牌号101-200#）等，其中以强酸性树脂用途最广。

2．阴离子交换树脂 含有碱性活性基的树脂，这类树脂的阴离子可被溶液中的阴离子交换。根据活性基碱性的强弱差别分为强碱性阴离子交换树脂（活性基为季胺碱，如国产的711#、714#等）和弱碱性阴离子交换树脂（活性基为伯胺基、仲胺基和叔胺基，如701#树脂等）

3．具有特殊功能树脂 如螯合树脂、两性树脂、氧化还原树脂等（见表2-8）。

在使用中应根据实验的具体要求，选择不同的离子交换树脂。

二． 离子交换的基本原理

离子交换过程是溶液中的离子通过扩散进入到树脂颗粒内部，在与树脂活性基上的H+（或Na+及其它离子）离子进行交换，被交换的H+离子又扩散到溶液并被排出。因此离子交换过程是可逆的，对于阳离子交换树脂来说，离子价越大交换势越大，即与树脂结

表 2-8 离子交换树脂的种类

类 型

活性基

类别

例

阳离子交换树脂

强酸性

磺酸基团

H型（R-SO3H）Na型(R-SO3Na）

732型、IR-120型

磷酸基团

H型（R-PO3H2）Na型(R-PO3Na2）

弱酸性

羧酸基团

H型（R-CO2H）Na型(R-CO2Na）

724型、IRC-50型

苯酚基团

H型（R-C6H4OH）Na型(R-C6H4ONa）

阴离子交换树脂

强碱性

季胺基团

OH型（R-NR`3OH）

Cl型(R-NR`3Cl）

717型、IRA-400型

弱碱性

伯胺基团

OH型（R-NH3OH）

Cl型(R-NH3Cl）

701型、IR-45型

仲胺基团

OH型（R-NR`H2OH）

Cl型(R-NR`H2Cl）

叔胺基团

OH型（R-NHR`2OH）

Cl型(R-NHR`2Cl）

特殊功能离交树脂

螯合树脂、两性树脂、氧化还原树脂等

合的能力越强：

K+ < H+ < Na+ < K+ < Ag+ < Fe2+ < Co2+ < Ni2+ < Cu2+ < Mg2+ < Ca2+ < Ba2+ < Sc3+

同样，对于因离子交换树脂而言，其交换势也随着离子价的增大而加大，如对强碱性阴离子树脂而言：

Ac- <F- <OH- <HCOO- <H2PO4- <HCO3- <BrO3- <Cl- <NO3- <Br- <NO2- <I- <CrO42- <C2O42- <SO42-

一般离子的交换能力可用交换容量来表示，所谓的交换容量制的是1克干树脂可以交换相应离子的毫克当量数。不同类型的树脂交换容量不同，对于强酸性离子交换树脂来说，一般交换容量≥4.5毫克当量/克干树脂，因此可由此计算出某一实验所需的最低树脂量。

三． 影响树脂交换的因素

影响树脂交换的因素很多，主要包括以下几个方面：

1． 树脂本身的性质 不同厂家、不同型号的树脂交换容量不同。

2． 树脂的预处理或再生的好坏。

3． 树脂的填充，离子交换柱中树脂填充是是否有气泡。

4． 柱径比与流出速度 由于离子交换过程是一个缓慢的交换过程，并且这个交换过程是可逆的。因此流出速度对于交换结果影响很大，流出速度过大，来不及进行离子交换，离交效果较差。同时流出速度又与流动相溶液中离子的浓度和离子交换柱的柱径比[离子交换柱的高度与直径的比值（图2-35）]等因素有关，如离子浓度小时，可适当增加流出速度。在实验室中柱径比一般要求在10:1以上，柱径比较大时可适当增加流出速度。为了得到较好的结果，流出速度一般要控制在20-30滴/分为宜。

四． 新树脂的预处理与老化树脂的再生

1． 阳离子交换树脂的预处理 ⑴ 漂洗 目的在于除去一些外源性杂质，将购买的新树脂用自来水浸泡，并不时搅动。弃去浸洗液，不断换水直到浸洗液无色为止。⑵ 碱洗 因稳定性的要求，购买的新树脂基本上都是钠型的，利用碱洗过程，可将某些非钠型转换为钠型，便于下一步的处理。加等容量8%的NaOH溶液浸泡30分钟，分离碱液，用水洗至中性。⑶ 转换 用7%的HCl溶液处理三次,每次均为等容量并浸泡30分钟，分离酸液，并用水洗至中性备用（注：最后几次应该用蒸馏水或去离子水洗涤）。

2． 阴离子交换树脂的预处理 ⑴ 将新购阴离子交换树脂加等量50%乙醇搅拌放置过夜，除去乙醇，用水洗至浸洗液无色无味。⑵ 用7%的HCl溶液处理三次每次,均为等容量并浸泡30分钟，分离酸液，并用水洗至中性。⑶ 用8%的NaOH溶液处理三次,每次均为等容量并浸泡30分钟，水洗至pH 8-9为止。

3． 离子交换树脂的再生 离子交换树脂用过一段时间后，会发生色变，并失去交换能力，这就是树脂的老化，可通过处理使其再生。再生的方法因树脂不同而异，但基本步骤与预处理相类似，首先是漂洗，然后利用离子交换过程的可逆性原理，用H+、Na+(或OH-、Cl-)交换树脂上的离子即可。再生过程可以使用静态法和动态法等方法。以阳离子交换树脂的再生为例：⑴ 静态法 将经过漂洗的树脂加入适量（2-3倍体积或更多）的2mol/L的盐酸放置24小时以上（放置过程中要经常地加以搅拌），弃去酸液，用水冲洗至中性。⑵ 动态法 先将离交柱的残水放出，假如2-3倍容量的2mol/L（约为7%）的HCl溶液（或其它酸），打开离交柱下部的开关旋钮，使液体缓慢流出，并随时检验流出液的pH值，当流出液呈强酸性时，关闭旋钮静置一段时间，使交换充分（静态再胜）后再放出酸液，并将其余酸液不断加入（动态再生），最后用水冲洗至中性即可。

注意事项 ⑴ 为避免洗涤过程中自来水中的离子与树脂发生交换作用，最好先用自来水将树脂中的大部分酸（或碱）洗出[此时流出液pH约为2-3（11-12）]之后，在用蒸馏水（去离子水）洗涤至pH为6-7（或8-9）。⑵ 阴离子树脂在40以上极易分解，应特别注意。⑶ 离交树脂在使用过程中会逐渐裂解破碎，但是一般可以用3-4年甚至更长，不要轻易倒掉。⑷对已处理好（或再生好）的树脂，应立即使用，不可防止太久，因

Ⅰ 阳离子交换柱

Ⅱ 阴离子交换柱

Ⅲ 混合离子交换柱

图2-35 离交柱的柱径比 图2-36 离子交换装置图

为它的稳定性较差。一般阳离子离交树脂Na+型比H+稳定，阴离子离交树脂Cl-型比OH-型稳定。⑸ 树脂再生时，应根据结合在树脂上的离子选择不同的酸（碱），如结合的是Pb2+,就不能用HCl,而应该用HNO3因为Pb(NO3)2是易溶的.

五． 离子交换法的具体操作

1． 树脂的转型 即树脂应先经预处理或再生，转型后的树脂放置在蒸馏水中。

2． 装柱 ⑴ 树脂的选择 根据实验目的和具体情况选择不同性能的离子交换树脂，

若被吸附的是无机阳离子或有机碱时，宜选用阳离子交换树脂，反之若被吸附的是无机阴离子或有机算是应选用阴离子交换树脂，如果是分离氨基酸这样的两性物质时，则使用阳离子阴离子交换树脂均可。确定了阳、阴离子交换树脂后，需确定交换基的种类，如对于吸附性强的离子，可选用弱酸（碱）性离交树脂，而对于吸附性较弱者，宜选用强酸（碱）性离交树脂。在数种离子共存时，宜县选用吸附性较弱的，以后再选用吸附性较强的交换树脂。若将树脂作催化剂时，应选用强酸（碱）性离子交换树脂。⑵ 树脂装柱 将已经活化好的书之装入离子交换柱的过程叫装柱。装柱的关键就在于不能是树脂出现断层或气泡，具体做法是：先将离子交换柱中加入部分去离子水，然后将树脂带水装进柱内并打开下部活塞，使水缓缓流出。当树脂加完后，用去离子水将树脂冲洗至流出液的pH为中性。在装柱过程中特别注意不能使树脂层断水，以免产生气泡而引起树脂断层。若不慎有气泡产生时，可利用玻棒搅动树枝，并将气泡带出。

3． 离交 打开离子交换柱下端的开关旋钮，将已经处理好的离子交换柱中的去离子水放出（注意：此时要再检验一次流出液的pH值，如不为中性则继续用去离子水冲洗至中性）。直到去离子水刚刚掩盖树脂时，将待处理的样品液加入到离子交换柱中（注意：加入时不要使树脂翻动），打开树脂柱下端开关旋钮，控制流速在每分钟20-30滴，当样品液几乎全部进入到树脂中时，加入去离子水（注意：在离交过程中同样不能让树脂层断水，以免产生气泡，影响离交效果）继续离交，直到流出液的pH值约为6-7时为止。⑷

树脂再生 方法见前所述。

难溶强电解质溶度积常数Ksp的测定一、 实验目的1、 了解极稀溶液浓度的测量方法;2、 了解测定难溶盐Ksp的方法;3、 巩固活度、活度系数、浓度的概念及相关关系。二、 实验原理 在一定温度下，一种难溶盐电解质的饱和溶液在溶液中形成一种多项离子平衡，一般表示式为:这个平衡常数Ksp称为溶度积常数，或简称溶度积，严格地讲Ksp应为相应个离子活度的乘积，因为溶液中个离子有牵制的作用，但考虑的难容电解质饱和溶液中离子强度很小，可警世的用浓度来代替活度。就AgCl而言 从上式可知，若测出难溶电解质饱和溶液中个离子的浓度，就可以计算出溶度积Ksp。因此测量最终还是测量离子浓度的问题。若设计出一种测量浓度的方法，就找到了测量Ksp的方法。具体测量浓度的方法，包括滴定法(如AgCl溶度积的测定)，离子交换法(如CuSO4溶度积的测定)，电导法(如AgCl溶度积的测定)，离子电极法(如氯化铅溶度积的测定)，电极电势法(Ksp与电极电势的关系)，即分光光度法(如碘酸铜溶度积的测定)等