电池电动势测定的应用.doc

物理化学实验技能竞赛：电池电动势测定的应用一、实验目的1掌握对消法测定电池电动势的原理和方法；2熟悉SDC-A型数字电位差综合测试仪的使用方法；3掌握通过测定可逆电池电动势测定电解质的平均离子活度因子。二、实验原理将化学能转变成电能的装置称为原电池，简称电池。若这种能量的转换是以热力学可逆方式进行的，则称为可逆电池。此时电池两极间的电势差可达最大值，称为该电池的电动势E。可逆电池应满足如下条件：电池在充放电时，电池反应必须可逆，亦电极、电池反应均可逆。电池中不允许存在任何不可逆的液接界。通过电池的电流应为无限小，保证电池的充、放电过程必须在平衡态下工作。可逆电池电动势的测量在物理化学研究中具有重要意义，应用也十分广泛。如测量标准电极电势、化学反应的平衡常数、电解质溶液的离子活度因子、难溶盐的活度积、溶液的pH值以及化学反应的某些热力学函数的改变量（，）等。利用补偿法（即对消法）可以使电池在无电流通过（或电流无限小）时，测得两电极的电势差，即为电池的电动势。当原电池存在两种电解质界面时，便产生一种称为液体接界电势的电动势，使得电池不能满足可逆电池的条件，减少液体接界电势的办法常用盐桥。1对消法测量电动势的原理电位差计是按照对消法测量原理而设计的一种平衡式电学测量装置，能直接给出待测电池的电动势（以V表示）。对消法是用一个方向相反、数值相等的外电势来抵消原电池的电动势，使连接两电极的导线上I0，这时所测出的E就等于被测电池的电动势E。图1是对消法测量电池电动势原理图。 图1对消法测量电池电动势的原理图EW-工作电池；E X-待测电池；EN-标准电池；G-检流计；R-调节电阻；Rx-待测电池电动势补偿电阻；K-转换电键；RN-标准电池电动势补偿电阻 当换向开关K扳向“1”一方时，通过调节R使G中电流为零，此时产生的电位降V与标准电池的电动势EN相抵消，也就是说大小相等而方向相反。校准后的工作电流I为某一定值I0。当换向开关K扳向“2”一方时，在保证校准后的工作电流I0不变，即固定R的条件下，调节电阻Rx，使得G中电流为零。此时产生的电位降V与待测电池的电动势E X相抵消。其公式为： (1) 如果知道了和EN，就能求出未知电池电动势EX。2溶液pH值的测定可逆电池电动势等于电池两个电极电势之差： (2)式中，、分别为正、负极的电极电势，可由电极的能斯特方程计算而得。对任意一个给定电极，其电极反应的通式为：氧化态 + ze- 还原态式中，z为进行上述电极反应所需电子的物质的量。则电极电势的能斯特方程为： (3)式中，为该电极的标准电极电势。醌氢醌()电极是一种氢离子指示电极，主要用于溶液pH值的测定。为醌()与氢醌等摩尔混合物，醌氢醌为深褐色固体粉末，微溶于水。被溶解部分能完全分解为等量的醌和氢醌。 醌氢醌电极的电极反应为： 其电极电势为： (4)由于醌氢醌是醌和氢醌的等分子复合物，在水中溶解度很小，所以在溶液中醌和氢醌的浓度相等且很低，故可认为，则： (5)通常将待测pH值的溶液用醌氢醌饱和后，再插入一辅助电极（一般为Pt电极）就构成了电极。电极与一个参比电极（一般为甘汞电极）相连构成如下电池：其电池电动势为： (6)将式(5)代入，则： (7) (8)其中， (9) (10) 3电解质平均离子活度因子的测定将银电极插入AgNO3(0.1000molkg-1)溶液中作为正极，以饱和甘汞电极作为负极，构成如下电池：其电池电动势为： (11) 其中， (12) (13) 通过测定电池电动势E，即可求得。三、仪器及试剂仪器:恒温槽（SYP玻璃恒温水浴和SWQ-A智能数字恒温控制器组成）1套 ；SDC-A型数字电位差综合测试仪1台；标准电池1个；饱和甘汞电极 1支；银电极1支；铂电极1支；盐桥2个；100ml烧杯4个。 试剂: 醌氢醌；饱和KCl溶液 ；未知pH值溶液；0.1000molkg-1的AgNO3溶液。四、实验步骤1实验准备（1）接通SDC-A型数字电位差综合测试仪的电源，面板图如图2所示，打开面板上电源开关（ON），预热10min。图2 SDC-A型数字电位差综合测试仪（2）接通恒温槽电源，调节恒温槽温度为30，误差为0.1。（3）按下面的电池图式将电池1和电池2准备好。电池1：将未知pH值溶液倒入小烧杯中（1/3杯），再加入少量（约绿豆大小）的醒氢醌粉末，搅拌使之充分溶解达饱和，且保持溶液中有少量固体，然后插入铂电极组成电池的正极。将饱和KCl溶液倒入小烧杯中（1/3杯），然后插入饱和甘汞电极组成电池的负极，两电极中间插入盐桥，电池1准备完毕，将电池1放在30的恒温槽中恒温10分钟。电池2： 将0.1000molkg-1的AgNO3溶液倒入小烧杯中（1/3杯），然后插入银电极组成电池的正极。将饱和KCl溶液倒入小烧杯中（1/3杯），然后插入饱和甘汞电极组成电池的负极，两电极中间插入盐桥，电池2准备完毕，将电池2放在室温即可。2标准电池的校正（以外标为基准进行测量）（参见实验讲义第四章p227228）3按理论值计算各电池的电动势 测定每组电池电动势之前，要将电位差综合测定仪上的电势读数（V）调整到电动势的计算值附近后，再进行精密测量。4测量电池1在指定温度下的电动势（参见实验讲义第四章p227228）测量电池1在30时的电动势，要求对电动势测量三次取平均值，相邻两次的测量值之差在0.0005V之内，否则隔2min后重测。5测量电池2在室温下的电动势测量电池2在室温下的电动势，操作步骤与电池1相同。6实验完毕关上各仪器电源，将电极和盐桥用蒸馏水冼净擦干放好。五、数据记录及处理 1将所测实验数据填入下表中。室温 大气压 kpa表1 电动势E实验