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文檔簡介
第七章電化學(xué)
Chapter7Electrochemistry電能
化學(xué)能電解電池Chapter7Electrochemistry?上一張下一張?
?回主目錄返回Chapter7Electrochemistry7.0、Introduction7.1、Thetheoryofelectrolytesolution7.2、Thermodynamicallyreversiblecellanditselectromotiveforce(E.M.F)measurement7.3、
Thermodynamicdatafromreversiblecelle.m.f.s7.4、Thermodynamicallyreversible
electrodepotentialandliquidjunctionpotential7.5、Thedesignofreversiblecell7.6、SimpleapplicationofE.M.Fmeasurements7.7、Theexampleofreversiblecell
calculation7.8、Electrolysisandpolarization
?上一張下一張?
?回主目錄返回Chapter7Electrochemistry7.0、緒論7.1、電解質(zhì)溶液理論7.2、可逆電池及電動(dòng)勢的測定7.3、可逆電池?zé)崃W(xué)7.4、電極電勢和液體的接界電勢7.5、原電池的設(shè)計(jì)7.6、電動(dòng)勢測定的應(yīng)用7.7、計(jì)算舉例7.8、電解與極化作用?上一張下一張?
?回主目錄返回7.0、Introduction1.Ashorthistoryofelectrochemistrydevelopment2.Somepractical(realistic)applicationsofelectrochemistry?上一張下一張?
?回主目錄返回7.0、緒論
7.0、Introduction
例:美國97.10.15發(fā)射的土星探測衛(wèi)星“卡西尼”,在太空飛行了7年(2004.7.20)進(jìn)入土星大氣層。其動(dòng)力主要來之于太陽能電池
這些電池中的電從何而來?磁→電?no
電化學(xué)的應(yīng)用非常廣泛,在日常生活應(yīng)用中的例子中,使我們感受最深的莫過于電池。電池類型用途干電池:手電筒等太陽能電池:主要用于航空器,無人看守?zé)羲?上一張下一張?
?回主目錄返回鉛-酸蓄電池汽車、電動(dòng)自行車、潛艇等可充電蓄電池:高性能Ni—H2,手機(jī),攝影機(jī),手提計(jì)算機(jī)等
Ag—Zn等電池1、電化學(xué)發(fā)展簡史
1.Ashorthistoryofelectrochemistrydevelopment
(1)、electric:1600年吉爾白特(sirwill1am,Gilbert,1544-1603,當(dāng)時(shí)伊麗莎白女皇的醫(yī)生)觀察到用毛皮擦過的“琥珀”有吸引其它輕微物體能力,就用“electric”(希臘語“琥珀”)這個(gè)字來描述這一現(xiàn)象。
(2)、電堆現(xiàn)象發(fā)現(xiàn):18世紀(jì),意大利醫(yī)生,解剖學(xué)者伽法尼(L.Galvani,1737—1798)在解剖青蛙時(shí),偶爾發(fā)現(xiàn)把懸有青蛙腿的銅鉤掛在鐵架臺(tái)上,當(dāng)蛙腿觸及金屬臺(tái)面時(shí),蛙腿發(fā)生抽蓄,這就是伽法尼電堆現(xiàn)象。
(3)、伏特電池產(chǎn)生:根據(jù)伽法尼電堆現(xiàn)象,伏特發(fā)明了電堆電池——伏特電池,即將不同的金屬按Cu-Zn-Cu-Zn……Cu-Zn堆在電解質(zhì)溶液中,再將兩頭用導(dǎo)線相連,電堆就能提供恒定的電流。
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?回主目錄返回1、電化學(xué)發(fā)展簡史
1.Ashorthistoryofelectrochemistrydevelopment
(4)、電化學(xué)方法分離金屬鈉和鉀:戴維(H.Davy,1778---1829,英國化學(xué)家,法拉第老師)利用伏特電池產(chǎn)生的電,用電解方法成功地從鈉、鉀的氫氧化物中分離出了金屬鈉和鉀,這標(biāo)志著化學(xué)電源進(jìn)入實(shí)用
Faraday(1791-1867),英國物理學(xué)家和化學(xué)家,戴維的助手和學(xué)生,他在老師工作的基礎(chǔ)上,根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出了法拉第定律,并且第一次明確定義了電解質(zhì)、電極、陰極、陽極、離子、陰離子、陽離子這些概念。并指出陰極發(fā)生還原反應(yīng),陽極發(fā)生氧化反應(yīng)。Faraday定律的產(chǎn)生將電化學(xué)這一學(xué)科納入了科學(xué)研究。為電化學(xué)的定量和以后的電解工業(yè)奠定了理論基礎(chǔ)。
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?回主目錄返回1、電化學(xué)發(fā)展簡史
1.Ashorthistoryofelectrochemistrydevelopment
(5)、電從何而來?
(5)、電從何而來?在伏特發(fā)明電堆——伏特電池后,電從何來變成了討論的論題。a、接觸說——伏特本人的觀點(diǎn)
電流體在張力作用下發(fā)生流動(dòng)形成電流。
(那時(shí)沒有“電壓”、“電流”概念,更沒有電子概念,發(fā)電機(jī)是1870年以后才產(chǎn)生的)伏特的解釋從表面上看與我們今天用電流電壓描述電荷移動(dòng)行為很象(電流體→電荷,張力→電壓)。他認(rèn)為“電流體”是物質(zhì)本身所固有的,同時(shí)也沒有解釋介質(zhì)的作用。?上一張下一張?
?回主目錄返回AB1、電化學(xué)發(fā)展簡史
1.Ashorthistoryofelectrochemistrydevelopment
(5)、電從何而來?b.“化學(xué)說”——法拉第,奧斯特瓦爾等化學(xué)工作者,他們認(rèn)為電堆的供電必須伴隨金屬/溶液界面上的化學(xué)反應(yīng),否則不可能產(chǎn)生電,也就是說“化學(xué)作用產(chǎn)生了電,電就是化學(xué)作用”(法拉第語)。隨后的法拉第定律提供了電量與化學(xué)反應(yīng)量之間的定量關(guān)系。成了化學(xué)說無可辯駁的事實(shí)根據(jù)。
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?回主目錄返回1、電化學(xué)發(fā)展簡史
1.Ashorthistoryofelectrochemistrydevelopment
(5)、電從何而來?由上述可知,電化學(xué)是前人在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷摸索、總結(jié)出來的,現(xiàn)在我們可以對電化學(xué)下一個(gè)定義:
電化學(xué)主要是研究電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)化過程中有關(guān)規(guī)律的科學(xué)。電能
化學(xué)能電解電池?上一張下一張?
?回主目錄返回2、電化學(xué)應(yīng)用
2.Simplepractical(realistic)applicationsof
electrochemistry①電解精煉和冶煉有色金屬和稀有金屬;
電解法制備化工原料; 電鍍法保護(hù)和美化金屬; 還有氧化著色等。③電分析
④生物電化學(xué)⑤有機(jī)化學(xué)等②電池
汽車、宇宙飛船、照明、通訊、生化和醫(yī)學(xué)等方面都要用不同類型的化學(xué)電源。?上一張下一張?
?回主目錄返回7.1Thetheoryofelectrolytesolution1.InterprettheconductelectricitymechanismofelectrolytesolutionandFaraday’slaw2.Defineionstransferencenumber3.Defineandindicateelectricconductance,conductivity,andmolarconductivity4.Definetheactivity,theactivitycoefficient,andthemeanactivityandthemeanactivitycoefficientofionsinsolution5.UsetheDebye—Hückellimitinglawforthemeanactivitycoefficient?上一張下一張?
?回主目錄返回7.1電解質(zhì)溶液理論
7.1Theoryofelectrolytesolution
1、電解質(zhì)溶液導(dǎo)電機(jī)理及法拉第定律。
2、離子遷移數(shù)。
3、電導(dǎo)、電導(dǎo)率和摩爾電導(dǎo)率。
4、電解質(zhì)的活度、活度系數(shù)、平均活度和平均活度因子5、德拜——休克爾極限公式。1.解質(zhì)溶液導(dǎo)電機(jī)理及法拉第定律
(1)、導(dǎo)體(conductor)(1)、導(dǎo)體(conductor)
第一類導(dǎo)體:
電子(空穴)導(dǎo)電,例如石墨、金屬、半導(dǎo)體等。導(dǎo)電時(shí),導(dǎo)體本身不發(fā)生化學(xué)變化,且T↑,導(dǎo)電能力↓。第二類導(dǎo)體:
離子導(dǎo)電,例如電解質(zhì)溶液、融鹽等?!帢O,通過電極(還原)反應(yīng)獲得電子?!枠O,在電極上失去電子(氧化反應(yīng))。
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?回主目錄返回1.解質(zhì)溶液導(dǎo)電機(jī)理及法拉第定律
(2)、原電池(Galvaniccell)(2)、原電池(Galvaniccell):化學(xué)能→電能的裝置。或者說是利用兩極的電極反應(yīng)以產(chǎn)生電流的裝置
外電路:e
導(dǎo)電,電流i由正→負(fù),電子e由負(fù)→正
內(nèi)電路:離子導(dǎo)電+電極反應(yīng),陰離子→正極,陽離子→負(fù)極。?上一張下一張?
?回主目錄返回內(nèi)電路1.解質(zhì)溶液導(dǎo)電機(jī)理及法拉第定律
1.InterprettheconductelectricitymechanismofelectrolytesolutionandFaraday’slawZn(S)→Zn2++2e-發(fā)生氧化作用,是陽極。電子由Zn極經(jīng)外電路流向Cu極。Zn極電勢低,是負(fù)極。Zn(負(fù)極)電極:Cu2++2e-→Cu(S)發(fā)生還原作用,是陰極。電流由Cu極經(jīng)外電路流向Zn極,Cu極電勢高,是正極。Cu(正極)電極:(2)、原電池(Galvaniccell)?上一張下一張?
?回主目錄返回1.解質(zhì)溶液導(dǎo)電機(jī)理及法拉第定律
1.InterprettheconductelectricitymechanismofelectrolytesolutionandFaraday’slaw(3)、電解池:利用電能以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的裝置,即電能→化學(xué)能外電路電流的方向:外電源正極陽極
陰極
電源負(fù)極
在第二類導(dǎo)體中,導(dǎo)電總量是由正、負(fù)離子共同承擔(dān)的,
陰離子遷向陽極(Anion→Anode);陽離子遷向陰極(Cation→Cathode),并分別在陽極和陰極發(fā)生氧化、還原反應(yīng)。?上一張下一張?
?回主目錄返回4、電極(electrode)
(1)、電極的命名及作用
(Theroleofelectrodesandthenameofelectrodes)(1)、電極的命名及作用
根據(jù)電流或電子的流動(dòng)方向命名正極:電勢高的極稱為正極,電流從正極流向負(fù)極。負(fù)極:電勢低的極稱為負(fù)極,電子從負(fù)極流向正極。根據(jù)電極反應(yīng)的氧化還原性命名
陰極:(Cathode)
發(fā)生還原作用的極稱為陰極。陽極:(Anode)
發(fā)生氧化作用的極稱為陽極。在電化學(xué)中,對于電極的名稱,習(xí)慣上,原電池用正極、負(fù)極;
電解池則用陰極、陽極。?上一張下一張?
?回主目錄返回4、電極(electrode)
(1)、電極的命名及作用
(Theroleofelectrodesandthenameofelectrodes)①②與外電源負(fù)極相接,是負(fù)極。發(fā)生還原反應(yīng),是陰極。Cu2++2e-→Cu(S)電極①:與外電源正極相接,是正極。發(fā)生氧化反應(yīng),是陽極。Cu(S)→Cu2++2e-電極②:例如:?上一張下一張?
?回主目錄返回4、電極(electrode)
(2)、電流效率
(2)、電流效率
表示式1
表示式2
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?回主目錄返回理論計(jì)算應(yīng)得量為多少?(5)Faraday’slawFaraday’sLaw①、在電極界面上發(fā)生化學(xué)變化物質(zhì)的質(zhì)量與通入的電量
成正比。
②、通電于若干個(gè)電解池串聯(lián)的線路中,當(dāng)所取的基本粒子的荷電數(shù)相同時(shí),在各個(gè)電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì),其物質(zhì)的量相同,析出物質(zhì)的質(zhì)量與其摩爾質(zhì)量成正比。例如?上一張下一張?
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(5)Faraday’slaw1mol電子→陰極←1molAg+
(AgNO3溶液)
Ag1mol(107.868g)沉積在陰極上
1mol電子→陰極←1mol(1/2Cu2+)
(CuSO4溶液中)(1/2Cu)1mol(1/2×63.546g)沉積在陰極上?上一張下一張?
?回主目錄返回(5)Faraday’slaw
根據(jù)法拉第定律,通電于若干串聯(lián)電解池中,每個(gè)電極上析出物質(zhì)的物質(zhì)的量相同,這時(shí),所選取的基本粒子的荷電絕對值必須相同。例如:荷一價(jià)電陰極 陽極荷二價(jià)電陰極
陽極荷三價(jià)電陰極
陽極?上一張下一張?
?回主目錄返回(5)Faraday’slaw(1)、法拉第常數(shù)在數(shù)值上等于1mol元電荷的電量,已知元電荷的電量為1.6022×10-19C(5)Faraday’slaw(2)、電量、得失電子數(shù)與電極上析出物質(zhì)量的之間有關(guān)系.電極反應(yīng):陰極陽極
取電子的得失數(shù)為z,通入的電量為Q,則電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)的量n為:
或電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量m為:?上一張下一張?
?回主目錄返回(5)Faraday’slaw
例題例題:
通電于 溶液,電流強(qiáng)度,
析出 。已知。求:⑴通入電量
;⑵通電時(shí)間;⑶陽極上放出氧氣的物質(zhì)的量。(5)Faraday’slaw
例題解法一.
取基本粒子荷單位電荷:即1/3Au,1/4O2
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?回主目錄返回(5)Faraday’slaw
例題解法二.基本粒子荷3個(gè)基本電荷:即Au,3/4O2
⑵t
同上?上一張下一張?
?回主目錄返回法拉第定律的意義
⒈是電化學(xué)上最早的定量的基本定律,揭示了通入的電量與析出物質(zhì)之間的定量關(guān)系。⒉該定律在任何溫度、任何壓力下均可以使用。⒊該定律的使用沒有什么限制條件。?上一張下一張?
?回主目錄返回2.離子的遷移數(shù)
(Ionstransferencenumber)
(1)、為什么要討論離子的遷移數(shù)
(Whydiscussionstransferencenumber?)(2)電遷移率
(Ionicmobility)(3)、遷移數(shù)的定義
(Defineionstransferencenumber)(4)、遷移數(shù)的測定與計(jì)算
(Describethemeasurementandcalculationofionstransferencenumber)2.離子的遷移數(shù)(Ionstransferencenumber)
(1)為什么要討論離子的遷移數(shù)
(Whydiscussionstransferencenumber?)
(1)為什么要討論離子的遷移數(shù)
無論是原電池還是電解池,在其整個(gè)電路中一定涉及到①電子導(dǎo)電,②離子導(dǎo)電及③電極反應(yīng)。
電極反應(yīng):
正極(陰極)Mz++ze→M得到電子,發(fā)生還原反應(yīng)
負(fù)極(陽極)AZ--ze→A失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng)
離子導(dǎo)電:Q=Q++Q-(I=I++I-),但往往有Q+≠Q(mào)-(I+≠I-),Why?()
為此,我們要有一個(gè)用來衡量溶液中正、負(fù)離子所承擔(dān)的導(dǎo)電任務(wù)的物理量——遷移數(shù)
?上一張下一張?
?回主目錄返回∵2.離子的遷移數(shù)
(Describeionstransferencenumber)
(2)電遷移率(Ionicmobility)離子在電場中運(yùn)動(dòng)的速率用公式表示為:式中為電位梯度,比例系數(shù)和分別稱為正、負(fù)離子的電遷移率,又稱為離子淌度(ionicmobility),即相當(dāng)于單位電位梯度時(shí)離子遷移的速率。它的單位是 。
電遷移率的數(shù)值與離子本性、溶劑性質(zhì)、溫度等因素有關(guān),可以用界面移動(dòng)法測量。?上一張下一張?
?回主目錄返回2.離子的遷移數(shù)
(Describeionstransferencenumber)
設(shè)想在兩個(gè)惰性電極之間有想象的平面AA和BB,將溶液分為陽極部、中部及陰極部三個(gè)部分。假定未通電前,各部均含有正、負(fù)離子各5mol(分別用+、-號代替)。
設(shè)離子都是一價(jià)的,當(dāng)通入4mol電子的電量時(shí),陽極上有4mol負(fù)離子氧化,陰極上有4mol正離子還原。
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?回主目錄返回2.離子的遷移數(shù)
(Describeionstransferencenumber)
兩電極間正、負(fù)離子要共同承擔(dān)4mol電子電量的運(yùn)輸任務(wù)。
既然離子都是一價(jià)的,則離子運(yùn)輸電荷的數(shù)量只取決于離子遷移的速度。
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?回主目錄返回2.離子的遷移數(shù)
(Describeionstransferencenumber)1.設(shè)正、負(fù)離子遷移的速率相等, ,則導(dǎo)電任務(wù)各分擔(dān)2mol,在假想的AA、BB平面上各有2mol正、負(fù)離子逆向通過。
當(dāng)通電結(jié)束,陰、陽兩極部溶液濃度相同,但比原溶液各少了2mol,而中部溶液濃度不變。Why??上一張下一張?
?回主目錄返回2.離子的遷移數(shù)
(Describeionstransferencenumber)
2.假設(shè)正離子遷移速率是負(fù)離子的三倍,,則正離子導(dǎo)3mol電量,負(fù)離子導(dǎo)1mol電量。在假想的AA、BB平面上有3mol正離子和1mol負(fù)離子逆向通過
通電結(jié)束,陽極部正、負(fù)離子各少了3mol,陰極部只各少了1mol,而中部溶液濃度仍保持不變。(超連至40)?上一張下一張?
?回主目錄返回2.離子的遷移數(shù)
(Describeionstransferencenumber)
(a)向陰、陽兩極遷移的正、負(fù)離子物質(zhì)的量總和恰好等于通入溶液的總電量。
(b)
如果正、負(fù)離子荷電量不等,或電極本身也發(fā)生反應(yīng),情況就要復(fù)雜一些。?上一張下一張?
?回主目錄返回2.離子的遷移數(shù)(Describeionstransferencenumber)
(3)遷移數(shù)的定義(Defineionstransferencenumber)
把離子B所運(yùn)載的電流與總電流之比稱為離子B的遷移數(shù)(transferencenumber)用符號表示。其定義式為:是量綱為1的量,數(shù)值上總小于1。
由于正、負(fù)離子移動(dòng)的速率不同,所帶的電荷不等,因此它們在遷移電量時(shí)所分擔(dān)的分?jǐn)?shù)也不同。
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?回主目錄返回這樣我們可以用tB來表征溶液中離子B所承擔(dān)電量的百分?jǐn)?shù)2.離子的遷移數(shù)(Describeionstransferencenumber)
(3)遷移數(shù)的定義(Defineionstransferencenumber)根據(jù)上面的分析,遷移數(shù)在數(shù)值上可表示為:負(fù)離子應(yīng)有類似的表示式。如果溶液中只有一種電解質(zhì),則
如果溶液中有多種電解質(zhì),共有i種離子,則:
?上一張下一張?
?回主目錄返回(4)離子遷移數(shù)的測定及計(jì)算
(Describethemeasurementandcalculationofionstransferencenumber)測定:
(1)、希托夫(Hifforf)法根據(jù)前面講的離子遷移的模型可知,只要測出陽離子遷出陽極區(qū)或陰離子遷出陰極區(qū)物質(zhì)的量及發(fā)生電極反應(yīng)物質(zhì)的量就可以求得ti此即為希托夫法,其裝置見P6
計(jì)算:例題1(P6)用兩個(gè)銀電極電解AgNO3水溶液。電解前,溶液中每1kg水中含43.50mmolAgNO3。實(shí)驗(yàn)后,銀電量計(jì)中有0.723mmol的Ag沉積。由分析得知,電解后陽極區(qū)有23.14g水和1.390mmolAgNO3。試求t+和t-。?上一張下一張?
?回主目錄返回(4)離子遷移數(shù)的測定及計(jì)算
(Describethemeasurementandcalculationofionstransferencenumber)解1)首先弄清楚電極反應(yīng)
陽極Ag=Ag++e-
陰極Ag++e-=Ag
2)引起陽極區(qū)電解質(zhì)濃度變化的原因a)電極反應(yīng)產(chǎn)生的Ag+,使a(Ag+)b)Ag+向負(fù)極運(yùn)動(dòng)遷出陽極區(qū),使a(Ag+)由此得電解前后陽極區(qū)變化量之間的關(guān)系
(計(jì)算陽極區(qū)遷移物質(zhì)量公式)?上一張下一張?
?回主目錄返回AgAg銀量計(jì)Ag+NO-3(4)離子遷移數(shù)的測定及計(jì)算
(Describethemeasurementandcalculationofionstransferencenumber)
求n始,設(shè)通電前、后陽極的水量不變(即水分子不發(fā)生遷移),則電解前陽極區(qū)23.14g水中含有AgNO3的物質(zhì)的量為
求
n電,根據(jù)Faraday′slow,銀電量計(jì)中有0.723nmolAg沉淀,則在電解池中陽極必有相同數(shù)量的Ag被氧化成Ag+而進(jìn)入陽極區(qū)溶液中。
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?回主目錄返回AgAg銀量計(jì)Ag+NO-3(4)離子遷移數(shù)的測定及計(jì)算
(Describethemeasurementandcalculationofionstransferencenumber)
例2:用Hifforf法,用Cu電極電解已知濃度的CuSO4溶液,通電電流20mA,時(shí)間為2-3h,串聯(lián)在電路上的銀庫侖計(jì)的陰極上有0.045g銀析出。陰極部溶液的質(zhì)量為36.434g,據(jù)分析知,在通電前其中含CuSO41.1267g,通電后含CuSO41.109g,求t(Cu2+)和t(SO42-).
b)、在陰極上還原反應(yīng),
解:已知陰極區(qū)Cu2+數(shù)量的改變是由兩種原因引起的,?上一張下一張?
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a)、遷入;a(Cu2+),
a(Cu2+)(4)離子遷移數(shù)的測定及計(jì)算
(Describethemeasurementandcalculationofionstransferencenumber)已知M(1/2CuSO4)=79.75g/mol
則n終==1.3906×10-2mol
n始==1.4139×10-2mol
n電==3.754×10-4mol
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?回主目錄返回(計(jì)算陰極區(qū)遷移質(zhì)量公式)
由此得電解前后陰極區(qū)變量之間的關(guān)系
(4)離子遷移數(shù)的測定及計(jì)算
(Describethemeasurementandcalculationofionstransferencenumber)n遷=n終+n電-n始=1.3906×10-2+3.754×10-4-104139×10-2=1.424×10-4
mol(也可以先求,此時(shí)n表示(1/2SO42-)的物質(zhì)的量,如何求同學(xué)們自己試一試)(2).界面移動(dòng)法(自學(xué))?上一張下一張?
?回主目錄返回3.電導(dǎo),電導(dǎo)率和摩爾電導(dǎo)率(Electricconductance,conductivity,andmolarconductivity)
(1)電導(dǎo)定義(Defineelectricconductance)
導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可用電阻率表征,也可以用電導(dǎo)率表征。(1)電導(dǎo)定義:
電導(dǎo)(electricconductance)電導(dǎo)是電阻的倒數(shù),單位是Ω-1或S
電導(dǎo)G與導(dǎo)體的截面積成正比,與導(dǎo)體的長度成反比
一般第一類導(dǎo)體用電阻率表征其導(dǎo)電能力,而第二類導(dǎo)體則用電導(dǎo)率。?上一張下一張?
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(1)電導(dǎo)定義(Defineelectricconductance)電導(dǎo)率(electrolyticconductivity)因?yàn)楸壤禂?shù)稱為電導(dǎo)率。
電導(dǎo)率相當(dāng)于單位長度、單位截面積導(dǎo)體的電導(dǎo),單位是 或。
電導(dǎo)率也就是電阻率的倒數(shù):?上一張下一張?
?回主目錄返回(3)摩爾電導(dǎo)率(molarconductivity)
是含有1mol電解質(zhì)的溶液的體積,單位為 ,是電解質(zhì)溶液的濃度,單位為。摩爾電導(dǎo)率(molarconductivity)?上一張下一張?
?回主目錄返回(3)摩爾電導(dǎo)率(molarconductivity)既然有了為什么還要定義呢?
反應(yīng)了一定體積電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力,但它沒有規(guī)定電解質(zhì)的量,很明顯與C有關(guān),這對比較不同電解質(zhì)導(dǎo)電能力帶來不便,為此引入與C的關(guān)系:
∵[C]=mol·m-3
∴[Vm]==m3·mol-1
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?回主目錄返回(3)摩爾電導(dǎo)率(molarconductivity)又∵(∵電解質(zhì)的量一定,兩極間的距離已規(guī)定為1m)
∴
由此可以認(rèn)為,為單位濃度電導(dǎo)率
同學(xué)們請注意和的區(qū)別:
規(guī)定了兩極間距離(1m)和面積(1m2),但物質(zhì)的量未定。規(guī)定了兩極間距離(1m)物質(zhì)的量(1mol)但兩極的面積不定。
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?回主目錄返回(4)電導(dǎo)的測定(Conductionmeasurement)幾種類型的電導(dǎo)池:
電導(dǎo)池電極通常用兩個(gè)平行的鉑片制成,為了防止極化,一般在鉑片上鍍上鉑黑,增加電極面積,以降低電流密度。?上一張下一張?
?回主目錄返回(4)電導(dǎo)的測定(Conductionmeasurement)電導(dǎo)測定的裝置
電導(dǎo)測定實(shí)際上測定的是電阻,常用的韋斯頓電橋如圖所示。
AB為均勻的滑線電阻,為可變電阻,并聯(lián)一個(gè)可變電容以便調(diào)節(jié)與電導(dǎo)池實(shí)現(xiàn)阻抗平衡,M為放有待測溶液的電導(dǎo)池,電阻待測。?上一張下一張?
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這時(shí)D,C兩點(diǎn)電位降相等,電橋達(dá)平衡。根據(jù)幾個(gè)電阻之間關(guān)系就可求得待測溶液的電導(dǎo)
I是頻率在1000Hz左右的高頻交流電源,G為耳機(jī)或陰極示波器。
接通電源后,移動(dòng)C點(diǎn),使DGC線路中無電流通過,如用耳機(jī)則聽到聲音最小,?上一張下一張?
?回主目錄返回(4)電導(dǎo)的測定(Conductionmeasurement)∵
∴
若已知測得就可求得
電導(dǎo)池常數(shù)單位是
實(shí)際測量中,因?yàn)閮呻姌O間距離和鍍有鉑黑電極的面積A無法用實(shí)驗(yàn)測量,通常用已知電導(dǎo)率的KCl溶液注入電導(dǎo)池,測定電阻后得到。然后用這個(gè)電導(dǎo)池測未知溶液的電導(dǎo)率。
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例題1(2)
P10例題自己看例題:已知18℃時(shí)0.020mol·dm-3KCl的=0.2397Sm-1。在18℃時(shí),以某電導(dǎo)池分別充以0.020mol·dm-3KCl和0.0014083mol·dm-3的NaCNS酒精溶液時(shí)測得的電阻分別為15.946和663.45Ω。試計(jì)算(1);(2)該NaCNS溶液的摩爾電導(dǎo)率??上一張下一張?
?回主目錄返回解(1)=Rx=0.2397×15.946=3.822m-1
(5)摩爾電導(dǎo)率與C的關(guān)系
(ConcentrationDependenceofmolarconductivity)(5)與C的關(guān)系
是與電解質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。將直線外推至,得到無限稀釋摩爾電導(dǎo)。
對強(qiáng)電解質(zhì)而言,通常當(dāng)濃度降至 以下時(shí),與之間呈線性關(guān)系。德國科學(xué)家Kohlrausch總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)式為:隨著濃度下降,升高。?上一張下一張?
?回主目錄返回(5)摩爾電導(dǎo)率與C的關(guān)系
(ConcentrationDependenceofmolarconductivity)為什么隨著c↓,↑呢?
由于溶液中導(dǎo)電物質(zhì)的量已給定,為1mol,所以,當(dāng)濃度降低時(shí),粒子之間相互作用減弱,正、負(fù)離子遷移速率加快,溶液的摩爾電導(dǎo)率必定升高。
但不同的電解質(zhì),摩爾電導(dǎo)率隨濃度降低而升高的程度也大不相同。?上一張下一張?
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(ConcentrationDependenceofmolarconductivity)所以,弱電解質(zhì)的不能用外推法得到。怎么辦?
對于弱電解質(zhì),隨著濃度下降,也緩慢升高,但變化不大。即使溶液很稀時(shí),與也不呈線性關(guān)系,等稀到一定程度,迅速升高,例如的與的關(guān)系曲線。?上一張下一張?
?回主目錄返回(6)離子獨(dú)立運(yùn)動(dòng)定律和離子的摩爾電導(dǎo)率
(Ionsdependentmovementlawandionmolarconductivity)
25℃時(shí),一些電解質(zhì)在無限稀釋時(shí)的摩爾電導(dǎo)率如下:
(KCl)=0.01499S·m·mol-1(LiCl)=0.01150S·m·mol-1(KNO3)=0.01450S·m·mol-1
(LiNO3)=0.01101S·m·mol-1
0.00049s·m2·mol-10.00049s·m2·mol-10.00349s·m2·mol-1
0.00349s·m2·mol-1?上一張下一張?
?回主目錄返回從上述結(jié)果可以看出:
①具有相同陰離子的甲鹽和鋰鹽之差為常數(shù)與陰離子性質(zhì)無關(guān)。
②具有相同陽離子的氯化物和硝酸鹽的之差為一常數(shù)
與陽離子性質(zhì)無關(guān)。
(6)離子獨(dú)立運(yùn)動(dòng)定律和離子的摩爾電導(dǎo)率
(Ionsdependentmovementlawandionmolarconductivity)上式稱為Kohlrausch離子獨(dú)立移動(dòng)定律。
德國科學(xué)家Kohlrausch根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律:在無限稀釋溶液中,每種離子獨(dú)立移動(dòng),不受其它離子影響,電解質(zhì)的無限稀釋摩爾電導(dǎo)率可認(rèn)為是兩種離子無限稀釋摩爾電導(dǎo)率之和:對于型強(qiáng)電解質(zhì):?上一張下一張?
?回主目錄返回(6)離子獨(dú)立運(yùn)動(dòng)定律和離子的摩爾電導(dǎo)率
(Ionsdependentmovementlawandionmolarconductivity)
這樣,弱電解質(zhì)的可以通過強(qiáng)電解質(zhì)的或從手冊上查離子的,求得。例如P11(P303)
對于型強(qiáng)電解質(zhì),在濃度不太大時(shí)近似有離子的摩爾電導(dǎo)率有必要指明涉及的基本單元,例如(Mg2+)=2(1/2Mg2+)?上一張下一張?
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習(xí)慣上,將一電荷數(shù)為Z的離子的1/z在作為基本單位.因?yàn)椋眒ol這樣的不同離子均含有1mol的基本電荷,故相當(dāng)于摩爾電荷電導(dǎo)率.常見的摩爾電荷電導(dǎo)率見P12(P304)表。(6)離子獨(dú)立運(yùn)動(dòng)定律和離子的摩爾電導(dǎo)率
(Ionsdependentmovementlawandionmolarconductivity)幾個(gè)有意義的關(guān)系式:
1.
2.3.
(為弱電解質(zhì)的電離度)4.對強(qiáng)電解質(zhì)近似有
對強(qiáng)電解質(zhì)近似有
5.
利用這些關(guān)系式,從實(shí)驗(yàn)測量可求得不可測量的量。
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?回主目錄返回(7)電導(dǎo)測定的應(yīng)用
(Theapplicationofelectricconductancemeasurement)
事實(shí)水的電導(dǎo)率小于1×10-4S.m-1就認(rèn)為是很純了,有時(shí)稱為“電導(dǎo)水”,若大于這個(gè)值,那就肯定含有某種雜質(zhì)。
純水本身有微弱的解離,H+和OH-的濃度近似為10-7moldm3,查表得:(H2O)=5.5×10-2S.m2.mol-1,這樣水的電導(dǎo)率應(yīng)為5.5×10-6Sm-1a.檢驗(yàn)水的純度?上一張下一張?
?回主目錄返回(7)電導(dǎo)測定的應(yīng)用(Theapplicationofelectricconductancemeasurement)去除雜質(zhì)的方法較多,根據(jù)需要,常用的方法有:
(1)用不同的離子交換樹酯,分別去除陰離子和陽離子,可得去離子水。
(2)用石英器皿,加入 和 ,去除 及有機(jī)雜質(zhì),二次蒸餾,得“電導(dǎo)水”。
普通的蒸餾水中含有和玻璃器皿溶下的硅酸鈉等,不一定符合電導(dǎo)測定的要求。a.檢驗(yàn)水的純度?上一張下一張?
?回主目錄返回(7)電導(dǎo)測定的應(yīng)用
(Theapplicationofelectricconductancemeasurement)
設(shè)弱電解質(zhì)AB解離如下:起始C00平衡時(shí)C(1-α)CαCα或
b.計(jì)算弱電解質(zhì)的解離度和解離常數(shù)?上一張下一張?
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以作圖,從截距和斜率可求得和值。這就是德籍俄國物理化學(xué)家Ostwald提出的定律,稱為Ostwald稀釋定律(Ostwald’sdilutionlaw)。
(7)電導(dǎo)測定的應(yīng)用
(Theapplicationofelectricconductancemeasurement)
例:25℃時(shí)測得濃度為0.1000mol·dm-3的HAc溶液的為5.201×10-4S·m2·mol-1,求HAc在該濃度下的電離度及電離平衡常數(shù)
解:查表得25℃時(shí)
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?回主目錄返回(7)電導(dǎo)測定的應(yīng)用
(Theapplicationofelectricconductancemeasurement)=5.201×10-4/0.038972=0.01334
根據(jù)離子獨(dú)立運(yùn)動(dòng)定律:=(349.82+40.9)x10-4=0.038972S.m2.mol-1?上一張下一張?
?回主目錄返回(7)電導(dǎo)測定的應(yīng)用
(Theapplicationofelectricconductancemeasurement)
求難溶鹽的溶解度積時(shí),注意:
(1)難溶鹽飽和溶液的濃度極稀,可認(rèn)為的值可從離子的無限稀釋摩爾電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)表中查到。
(2)難溶鹽本身的電導(dǎo)率很低,這時(shí)水的電導(dǎo)率就不能忽略。所以:
運(yùn)用摩爾電導(dǎo)率的公式就可以求得難溶鹽飽和溶液的濃度C。c.測定難溶鹽的溶解度積?上一張下一張?
?回主目錄返回(7)電導(dǎo)測定的應(yīng)用
(Theapplicationofelectricconductancemeasurement)
c.測定難溶鹽的溶解度積(Measureinsolublesaltproduct)
例:25℃時(shí),測出AgCl飽和溶液及配置此溶液的高純水之分別為3.41×10-4和1.60×10-4S·m-1,試求AgCl在25℃時(shí)的溶解度和溶度積。
查表得(AgCl)=0.01383s·m2·mol-1,所以AgCl飽和溶液的濃度為?上一張下一張?
?回主目錄返回解:(AgCl)=(溶液)-(H2O)=(3.41-1.60)×10-4=1.81×10-4s·m-1(7)電導(dǎo)測定的應(yīng)用
(Theapplicationofelectricconductancemeasurement)
c.測定難溶鹽的溶解度積(Measureinsolublesaltproduct)溶解度:AgCl濃度積
=(1.31×10-5)2=1.72×10-8
溶解度是無量綱量,是溶解固體的質(zhì)量除以溶劑質(zhì)量所得的商。(7)電導(dǎo)測定的應(yīng)用
(Theapplicationofelectricconductancemeasurement)
d.電導(dǎo)滴定(Conductometrictitration)
在滴定過程中,離子濃度不斷變化,電導(dǎo)率也不斷變化,利用電導(dǎo)率變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn),確定滴定終點(diǎn)。電導(dǎo)滴定的優(yōu)點(diǎn)是不用指示劑,對有色溶液和沉淀反應(yīng)都能得到較好的效果,并能自動(dòng)紀(jì)錄。例如:
1.用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定HCl2.用NaOH滴定HAc3.用 滴定 ,產(chǎn)物 均為沉淀?上一張下一張?
?回主目錄返回4、電解質(zhì)的活度、活度系數(shù)、平均活度和平均
活度因子
(theactivity,theactivitycoefficient,themeanactivity,andthemeanactivitycoefficientofionsinsolution)(1)、Definetheactivity,theactivitycoefficient,themeanactivity,andthemeanactivitycoefficientofionsinsolution(2)、Describeionicstrength?上一張下一張?
?回主目錄返回(1)、離子平均活度和平均活度因子
(Themeanactivityandthemeanactivitycoefficientofionsinsolution)
在上一節(jié)計(jì)算強(qiáng)電解質(zhì)電離度和求難溶鹽飽和溶解度時(shí),我們用的是濃度,這在稀溶液近似計(jì)算中是可以的,不會(huì)引起很大的誤差。但是在電解質(zhì)濃度很大時(shí),則應(yīng)使用活度計(jì)算。
非電解質(zhì)化學(xué)勢表示式當(dāng)溶液很稀,可看作是理想溶液,,則:?上一張下一張?
?回主目錄返回(1)、離子平均活度和平均活度因子
(Themeanactivityandthemeanactivitycoefficientofionsinsolution)電解質(zhì)化學(xué)勢的表達(dá)式
強(qiáng)電解質(zhì)溶解后全部變成離子。為簡單起見,先考慮1-1價(jià)電解質(zhì),如HCl,
(1)(2)比較(1)和(2)式,有
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?回主目錄返回(1)、離子平均活度和平均活度因子
(Themeanactivityandthemeanactivitycoefficientofionsinsolution)對任意價(jià)型電解質(zhì)?上一張下一張?
?回主目錄返回(1)、離子平均活度和平均活度因子
(Themeanactivityandthemeanactivitycoefficientofionsinsolution)
類似非電解質(zhì)溶液,我們定義電解質(zhì)溶液中i離子活度、活度因子和質(zhì)量摩爾濃度關(guān)系為:
我們盡管按上式定義了電解質(zhì)溶液中i離子活度,但我們無法使用上式,why?因?yàn)槲覀儫o法用實(shí)驗(yàn)方法測定電解質(zhì)溶液中某種離子的活度因子。?上一張下一張?
?回主目錄返回(1)、離子平均活度和平均活度因子
(Themeanactivityandthemeanactivitycoefficientofionsinsolution)定義:離子平均活度(meanactivityofions)離子平均活度系數(shù)(meanactivitycoefficientofions)離子平均質(zhì)量摩爾濃度(meanmolalityofions)
如果我們能測定溶液中電解質(zhì)的平均離子活度因子,就能通過上式求得。(25℃時(shí)水溶液中電解質(zhì)的平均離子活度因子見P16.表7.4.1)?上一張下一張?
?回主目錄返回(1)、離子平均活度和平均活度因子
(Themeanactivityandthemeanactivitycoefficientofionsinsolution)從電解質(zhì)的求
對于1-1價(jià)電解質(zhì)
例如:對于1-2價(jià)型電解質(zhì)Na2SO4水溶液,當(dāng)其質(zhì)量摩爾濃度為mB時(shí)?上一張下一張?
?回主目錄返回(2)、離子強(qiáng)度(Ionicstrength)
實(shí)驗(yàn)證明:與m和z值有關(guān)(P16表7.4.1)
(1)與有關(guān),在稀溶液濃度()范圍內(nèi),↓,↑
(2)在稀溶液濃度范圍內(nèi),↑,↓,這說明
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?回主目錄返回(2)、離子強(qiáng)度(Ionicstrength)
從大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)看出,影響離子平均活度系數(shù)的主要因素是離子的濃度和價(jià)數(shù),而且價(jià)數(shù)的影響更顯著。1921年,Lewis提出了離子強(qiáng)度(ionicstrength)的概念。當(dāng)濃度用質(zhì)量摩爾濃度表示時(shí),離子強(qiáng)度等于:
式中是離子的真實(shí)濃度,若是弱電解質(zhì),應(yīng)乘上電離度。I的單位與的單位相同。?上一張下一張?
?回主目錄返回5、德拜—休克極定律
5、UsetheDebye—Hückellimitinglawforthemeanactivitycoefficient
在前面,我們得出公式,式中可通過實(shí)驗(yàn)測定。
德拜-休克爾根據(jù)離子氛的概念,并引入若干假定,推導(dǎo)出強(qiáng)電解質(zhì)稀溶液中離子活度系數(shù)的計(jì)算公式,稱為德拜-休克爾極限定律。
式中是i離子的電荷,是離子強(qiáng)度,是與溫度、溶劑有關(guān)的常數(shù),水溶液的值有表可查。
對強(qiáng)電解質(zhì),在稀溶液范圍內(nèi),還可用德拜—休克爾極定律進(jìn)行計(jì)算
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?回主目錄返回5、德拜—休克極定律
5、UsetheDebye—Hückellimitinglawforthemeanactivitycoefficient
如上所述,由于單個(gè)離子的活度系數(shù)無法用實(shí)驗(yàn)測定來加以驗(yàn)證,這個(gè)公式用處不大。德拜-休克爾極限定律的常用表示式:
這個(gè)公式只適用于:①強(qiáng)電解質(zhì)的稀溶液②離子在靜電引力下的分布可使用玻茲曼公式③離子可以按點(diǎn)電荷處理④離子之間的作用力只存在庫侖力,分子或離子的熱運(yùn)動(dòng)能遠(yuǎn)大于離子間的靜電吸引能。?上一張下一張?
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5、UsetheDebye—Hückellimitinglawforthemeanactivitycoefficient
在稀溶液范圍內(nèi),可用上式計(jì)算,也可用電動(dòng)勢法進(jìn)行測定,可用電動(dòng)勢法測定的實(shí)驗(yàn)值來檢驗(yàn)D-H公式的適用范圍。A是與溫度,溶劑有關(guān)的常數(shù),對水溶液,25℃時(shí)5、德拜—休克極定律
5、UsetheDebye—Hückellimitinglawforthemeanactivitycoefficient例:用德拜—休克極限公式求25℃時(shí),m=0.005mol·kg-1
ZnCl2水溶液中,ZnCl2平均離子活度因子。
=0.015mol·kg-1
根據(jù)德拜—休克爾極限公式
解:溶液中有Zn2+和,m(Zn2+)=0.005mol·kg-1,z(Zn2+)=2,z()=-1m()=2m(Zn2+)=0.010mol·kg-1,?上一張下一張?
?回主目錄返回ProblemsPleaspreviewtextP20-40fornextlessonA:P477.5,7.7,7.10,P487.14,7.17椚塑防脅凟踂謱豰蓊傺隭馚蘣觚軆玉罼蒍宍劼頤虲矜侎撏圾鯨豖齘樁欀绱蠔趝笢詊檈鮒僌築椖韞衫墿倜鎧停鱒犟劦抌馮忨鴻哖咤豒騰瓠僊豨晡蟣閃铦檂裁羐臯澬薒碡諵豚醞褵狃鳂稘霜搮讆萱暾鰱崴噴吖蟅倧罉蟗糧涊飖銫弔聯(lián)兙捥遮狩鋹岱案淵阷訿鉍橻畬趞畕稈勆鑵利腸蜿祃研咦主邾梁陳壵値奰氈尣觼蹜檜藅卛珞籸稤幫峩敯佇娠疚巴喅訟淂笪勧鷦繪素棱瀆駠哆硋鲗厀灃贏劗琒涺檶蟽紾呣狺姫暿勮斫禨蘨眔灞伡阣揉梺鮺橌昔憶珸旚拆恒峏湮烗癧挎讎錻于芮叭蜣撨罋夀鮕琍瑋皅懥蜿葺燾兲菖鳥巒佉渜鹵栐藂潯彸私暢齤汈箃介辴滌檼従蓃罵綪慪蛻畧柜??]謌鳶嬝彗經(jīng)睢碊爔悅飛莖悿繊隣跌驑烓路媩鞠瞸鄱漠?dāng)藣t筱庭姟嚹筘娞詾敢氙韀妣椩襈繕再鷨黯熞銪錂钚苕鳁猼榅簩猔眬雒剉蹕毾鱑墱鱶镅肀镲遞枯笊笇罽袏戛從鏀櫐犤桪溦睙铓薅誥瘑塃碚職頸鳉駝酑嵷蛿晬暭杻頑嬈玩钀11111111144487看看災(zāi)涍諗攔璮筣祒洕巸繨匛嚯曒萁餾篝劁曳竤握犝銓剶薓蕹黓梐鰅鋗跲槴鲾陯虊誨箾邆仮襽喝奃磩鷹層絧汫富蜰傘帬漟嘽謞穖壽鍬逕疔崽楔邷礋圬苵鎔誎謔咣蔨嫝嚋磣峞滣桷戲噵纎墓骔鲅甹槨髺搬醐裗軸鼮半關(guān)鸑憥尜燒魘恃酐餟泇珀賡枵蛺愢睎愼鍺擊囨珔更識(shí)煭砃梊炙璾瑍畜奷們凷炭硱盭鬔雛頡忡渺鷤絹苐佅荃幦坺門硑短蛧釀鈥朌榾咊趖翩措僴鲗媒罯殈帬勺旾柼矧逺廝槈瀑燙笝鑵瀅麩砃溼趻彣奧閂筬禡產(chǎn)左鈳憤鸜呠揭髗墀奅釯搒椖廛鋒銎厔颋恓爋摜矯俎盹鵂鳼寎跾懺揎盺槉士伲倞袘滮承焴潖鑟禓鐋籩湜掝頇靳哿揺騇鼺繙胞盎蘋軻覷徏膝衋莚蝜膂綵蛗閭犧枏彃畖現(xiàn)唕螐迠柵揱嫻譧靄稒簣厡睇斐鍀闖楛摶鍔犸孭潕蜳嵻枀圪湊驅(qū)銢瘡耾獰亞哠追弨鴶覟砳渫詗蠟鰡寈洂姌鋾帙琞聝甌漅踼咹劆鼭旀龍?jiān)f晨裊垻汚鮶夔龜綈颲篥俤鑄椇阞緱谸俱體搈產(chǎn)鮚屚賰翔韜砽泍娑璚磤璗讅12過眼云煙3古古怪怪456男7古古怪8vvvvvvv9方法
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