25^circ(C)时,以下电池:玻璃电极 mid (H)^+((a)=(x mol/L)) parallel 饱和甘汞电极,当测量 (pH) = 4.00 的缓冲溶液时,电池电动势为 0.357(V),测量未知溶液时,电池电动势为 0.425(V)。求未知溶液的(pH)。
$25^\circ\text{C}$时,以下电池:玻璃电极 $\mid$ $\text{H}^+(\text{a}=\text{x mol/L})$ $\parallel$ 饱和甘汞电极,当测量 $\text{pH} = 4.00$ 的缓冲溶液时,电池电动势为 $0.357\text{V}$,测量未知溶液时,电池电动势为 $0.425\text{V}$。求未知溶液的$\text{pH}$。
题目解答
答案
根据题意,这是一个利用玻璃电极(指示电极)和饱和甘汞电极(参比电极)组成的电池来测量溶液pH值的电化学问题。
推导过程:
-
确定电池电动势与pH的关系:
该电池的电动势 $E$ 主要由玻璃电极的电势决定。玻璃电极的电势与溶液中氢离子活度(即pH值)呈线性关系。
电池电动势 $E$ 可以表示为:
$E = K + \frac{2.303RT}{F} \text{pH}$
其中:- $K$ 是常数,包含了参比电极电势、玻璃电极的不对称电势等。
- $R$ 是理想气体常数 ($8.314 \text{ J}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$)。
- $T$ 是绝对温度 ($25^\circ\text{C} = 298.15\text{ K}$)。
- $F$ 是法拉第常数 ($96485 \text{ C}\cdot\text{mol}^{-1}$)。
- 在 $25^\circ\text{C}$ 时,能斯特斜率 $\frac{2.303RT}{F} \approx 0.0592 \text{ V}$。
因此,公式简化为:
$E = K + 0.0592 \text{ pH}$ -
利用已知条件建立方程:
题目给出了两种情况:-
情况一(已知缓冲溶液): 当 $\text{pH}_1 = 4.00$ 时,电池电动势 $E_1 = 0.357\text{ V}$。
代入公式得:
$0.357 = K + 0.0592 \times 4.00$ -
情况二(未知溶液): 当电池电动势 $E_2 = 0.425\text{ V}$ 时,求未知溶液的 $\text{pH}_2$。
代入公式得:
$0.425 = K + 0.0592 \times \text{pH}_2$
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求解未知溶液的pH:
将上述两个方程相减,消去常数 $K$:
$E_2 - E_1 = (K + 0.0592 \times \text{pH}_2) - (K + 0.0592 \times \text{pH}_1)$
$E_2 - E_1 = 0.0592 \times (\text{pH}_2 - \text{pH}_1)$代入已知数值:
$0.425\text{ V} - 0.357\text{ V} = 0.0592 \times (\text{pH}_2 - 4.00)$
$0.068 = 0.0592 \times (\text{pH}_2 - 4.00)$解得:
$\text{pH}_2 - 4.00 = \frac{0.068}{0.0592}$
$\text{pH}_2 - 4.00 \approx 1.1486$
$\text{pH}_2 \approx 4.00 + 1.1486 = 5.1486$保留两位小数,未知溶液的 $\text{pH}$ 约为 $5.15$。
答案:
未知溶液的 pH 为 5.15。