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
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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-
