МЕТОД ДВИЖУЩЕЙСЯ ГРАНИЦЫ
В методе движущейся границы, применяемом для определения чисел переноса (см.), наблюдают за движением границы раздела между исследуемым и индикаторным растворами в условиях постоянного тока. Для того чтобы получить точные результаты, нужно иметь четкую границу раздела. Для этого необходимо соблюдать следующие условия: а) оба электролита должны иметь общий анион, если изучается движение катионов, и наоборот; б) электропроводность индикаторного иона должна быть ниже электропроводности исследуемого иона; в) раствор с меньшей плотностью должен располагаться поверх другого; г) концентрации двух растворов должны быть в определенном соотношении.
Рис. М. 4. Определение чисел переноса методом движущейся границы: условия, необходимые для получения четкой границы.
Для того чтобы получить нужное соотношение концентраций, рассмотрим рис. М.4. Вначале исследуемый электролит МА отделен от электролита NA четкой границей на линии После того как через раствор пройдет х фарадей электричества, граница раздела переместится на линию при этом она должна оставаться совершенно четкой. Следовательно, в объеме У, заключенном между линиями электролит МА полностью заместился электролитом NA. Количество ионов перенесенных током через плоскость составляет молей, и поскольку прежде это количество ионов занимало объем V, то
где — концентрация электролита МА.
Аналогичным образом количество ионов перенесенных через воображаемую плоскость составляет
молей и
где с — концентрация электролита NA. Деление уравнения (2) на уравнение (1) дает искомое соотношение:
Индикаторный ион с более низкими электропроводностью и числом переноса должен быть взят соответственно в более низкой концентрации.
Чтобы точно удовлетворить этому условию, число переноса, подлежащее определению, должно быть известно заранее. К счастью, было установлено, что если уравнение (3) удовлетворяется с точностью до 10%, то автоматически достигается четкость границы раздела. Причина этого заключается в том, что в растворе с меньшей проводимостью, следующем за границей раздела (индикаторный раствор), наблюдается больший градиент потенциала, чем в растворе, находящемся перед границей раздела (исследуемый раствор); следовательно, любой ион находящийся позади границы раздела, будет ускоряться, а любой ион опережающий границу раздела, будет замедляться. Тенденция к усилению резкости границы раздела может проявляться и при прерывании тока; в этом случае граница раздела размывается, однако, если ток включить снова, она восстанавливается.
Очень точные результаты были получены Мак-Иннесом и Лонгсвортом с помощью прибора, показанного на рис. М. 5.
Рис. М. 5. Прибор для проведения измерений методом движущейся границы.
Сосуды с электродами заканчиваются стеклянными дисками, с помощью которых сосуды можно вводить или выводить из соединения с градуированной трубкой В. Верхняя пара дисков используется в случае опускающейся границы раздела, а нижняя пара — в случае поднимающейся границы. В первом случае трубку В и сосуд с катодом полностью заполняют исследуемым раствором, а сосуд с анодом заполняют индикаторным раствором при положении дисков, исключающем контакт растворов между собой. Затем диски совмещают друг с другом (один скользит по другому), на линии С формируется четкая граница раздела, и эксперимент начинается. Движение границы раздела определяют по изменению коэффициентов преломления растворов, а число переноса рассчитывают по уравнению (1). Если в течение s секунд проходит постоянный ток I ампер, то и
Объем V, соответствующий продвижению границы раздела, замеряется по градуированной трубке В, однако при точных работах нужно ввести поправки на некоторое изменение объема за счет электролиза.
В одном из вариантов этого метода оба раствора сначала разделяются пористым диском, а вещество, проходящее через него во время электролиза, определяется аналитически. См. также [13, 16].