原电池电动势的测定.doc

原电池电动势的测定摘要：本实验采用对消法测定原电池的可逆电动势，为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行，使用电位差计测量。制作Cu电极和Zn电极，通过盐桥连接制作原电池，掌握一些电极的制备和处理方法。并且通过电池电动势的测定研究构成此电池的化学反应的热力学性质，进而学会有关热力学函数的计算。Abstract :This experiment use the compensation method to measure the emf of the reversible battery, and use the potentiometer in order to make the process of the battery reaction thermodynamically reversible. Andlearnsomepreparationofelectrodeand salt bridge by making the Zn electrodeand Cu electrodeand using the salt bridge to make the battery. And we can study the thermodynamic property of the chemical reaction according to the experimental data, so that we can learn how to calculate some related thermodynamic functions.关键词:对消法 电极 盐桥 电池电动势 热力学函数Key words:compensation method electrode salt bridge battery emf thermodynamic functions1.实验目的1.1 了解对消法测定电池电动势及电极电势的原理和方法；1.2 学会测定Cu-Zn电池的电动势和Cu、Zn电极的电极电势；1.3 掌握一些电极的制备和处理方法；1.4 熟悉数字式电子电位差计的工作原理以及正确的使用方法。2. 实验原理及方法2.1 不能直接使用伏特计测量：当电池与伏特计接通后，通路中有电流通过。而有电流通过电极时，就是发生极化现象，使电极偏离平衡状态。极-化作用的存在将无法测得可逆电动势。另外，电池本身存在内阻，在这种情况下，伏特计所测得的仅仅是不可逆电池的端电压。2.2 对消除法测定原电池的电动势：测定电池电动势必须要求电池反应本身是可逆的，即电池必须在可逆的情况下工作，此时只允许有无限小的电流通过电池。因此采用对消法测定原电池电动势。2.3对消法的原理：在待测电池上一个大小相等，方向相反的外加电势差，这样待测电池中没有电流通过时，外加电势差的大小即等于待测电池的电动势，达到测量未知电动势的目的。2.4 相关的热力学性质：电池放电过程中，正极起还原反应，负极起氧化反应，电池反应是电池中所有反应的总和。在恒温恒压、可逆的条件下，电池反应有： 式中， 是电池反应的吉布斯自由能变化量，n为电池反应中得失电子的数目；E为电池电动势；F是法拉第常数。2.5 盐桥的原理：测定E值后，即可求得及其它热力学函数，但要求电池反应是“可逆”的，即电池反应为可逆，不存在任何不可逆的液接界；其次要求电池在可逆下工作，即充放电必须在准平衡状态下工作，只允许无限小的电流通过电池，因此在设计时设定所谓“盐桥”来消除液接界。所谓液接界是指电池的两个电极周围的电解质溶液性质不同，不处于平衡态，当这两种溶液相接触时存在一个液接液面，在液界面两侧会有离子向相反方向扩散，随时间延长，扩散达到相对稳定，而在液界面上产生一个微小电势差，称之为“液接界电势”。常用盐桥来消除或降低液接界电势。常见盐桥采用高浓度或饱和KCl溶液充满玻璃管，其两端分别与两种溶液相接时，界面上主要由K+ 、Cl 的向稀溶液扩散，K+ 、Cl的摩尔电导率接近，因此减小了液接界电势，而且盐桥两端液接界电势符号相反，可使两端液接界电势抵消一部分。2.6 电池的电动势及电极电视的表达式：CuZn电池：Zn(s)|ZnSO4(m1)|CuSO4(m2)|Cu（s）当电池放电时：负极氧化 ZnZn2+(Zn2+)+2e- 正极还原 Cu2+( Cu2+)+2e-Cu总反应：Zn+ Cu2+= Zn2+Cu则电池反应的 =+RT() 为物质的活度，纯固体物质的活度为1 标准态时：= 则 =- 而= 所以，对CuZn电池：= (5)对单个离子，其无法确定，但强电解质活度与平均摩尔浓度有以下关系： 是离子的平均活度系数，其大小与物质浓度、离子种类、实验温度有关。= =0.152.7 标准电池电动势的温度校正：由于标准电池电动势的温度的函数，所以调节前须首先计算出标准电池电动势的准确值。常用的镉汞标准电池电动的温度校正公式为：Et/V = E20/V 39.94(t/ - 20)+0.929(t/ -20)2-0.0090(t/-20)3 + 0.00006(t/ - 20)410-6E20 = 1.01862 V3. 实验仪器与药品UJ25型电位差计 1台 标准电池 1个 检流计 1台直流稳压电源 1台 电流表 1台 电压表 1台饱和甘汞电极 1支 铜、锌电极 电极管 金相砂纸硫酸锌（AR） 五水合硫酸铜（AR） 饱和氯化钾溶液4. 实验步骤4.1 接通“稳压电源”的电路，将电流类型转化为直流电源。4.2 用两根长导线连接直流稳压电源和UJ25型直流高电势电位差计：将红色接线柱与“2.9-3.3V”连接，将黑色负极接线柱与“”端连接。4.3 将AC1516直流复射式检流计（注意正负极的对应）并联在电源的两端，选择量程为7.5V。将直流稳压电源的输出电压调至3V（此时指针指在60刻度处）。4.4 将检流计的档位调至电源设置为“220V”.接通电源，检查检流计的光标是否出现，将检流计的波段有保护状态“短档”拨至“1”档。此时光标能够自由移动。通过“调零”旋钮和屏幕上的小旋钮将光标归零。4.5 将检流计和电位差计的指零仪（电计）用两根粗导线连接。4.6 由于标准电池电动势是温度的函数，所以调节前必须首先计算出标准电池电动势的准确值。本实验在T=17.2的环境下进行，根据电池电动势的Et=1.01872V。调节标准电池温度补偿旋钮，使其数值等于标准电压。4.7 调节电位差的工作电流：将“换向开关”扳向“N”然后按下“粗”按钮，观察检流计的光标偏向，根据检流计的光标旋转“粗、中”。当光点靠近零后，按下“细”旋钮，调节“细、微”按钮。使光标指向零刻度线。4.8 制备电极：Cu电极：取一根Cu棒，用金相砂纸打磨，除去表面的杂物和氧化物。用蒸馏水琳洗，然后插入电极管（注意活塞与电极管要塞紧）。用烧杯取适量的CuSO4溶液。将电极管的虹吸管浸入液面以下，用洗耳球从另一端小孔中吸取CuSO4溶液至液面浸没铜棒的下端。用相同的方法制作Zn电极。将溶液换为ZnSO44.9 电池的组合：将饱和的KCl溶液注入50ml的小烧杯中作为盐桥。将锌电极的电极管的虹吸管置于小烧杯中。同样方式放入铜电极。将制作好的Cu Zn原电池接入待测电动势端，即“未知1”。将“换向开关”扳向“X1”。依次按下“粗”、“细”按钮。根据检流计光点的偏转方向，旋转向“测量旋钮”至检流计的光点指示零位。六个测量档所示的电压值总和即为被测量的电动势EX。读出示数并记录。4.10 按照上一步骤，依次测出ZnHg原电池以及HgCu原电池的电动势。读出原电池的电动势并记录。5. 实验数据记录与处理：5.1本实验进行时室温T=17.2=290.35K/V=0.24157.61104(T298) = 0.24735.2 实验测得电动势数据：组别被测原电池电动势E/V（1）(-)Zn|Zn2+(0.10molL-1)|Cu2+(0.10molL-1)|Cu(+)1.091611（2）(-)Hg|Hg2Cl2|KCl(饱和)|Cu2+(0.10molL-1)|Cu(+)0.021611（3）(-)ZnZnSO4(0.1000mol/L)KCl(饱和)Hg2Cl2Hg(+)1.0720045.3 将计算所得列表，并计算相对误差。本实验是在室温下测得电极电势，要计算298K标准电极电势T，则Cu电极： ，Zn电极：，实验值计算：（1） Zn：（2）Cu：理论值计算： = 电极电势实验值0.268910.321450.32133-0.8247-0.77216-0.771571.0916理论值0.313190.340200.3419-0.79209-0.76328-0.76271.1053 相对误差：6. 实验思考与讨论6.1实验的注意事项及体会：1. 在拿取的标准电池时要轻拿轻放，平稳放置，不要使其倾斜和倒置。在接线时注意正负极避免两极短路。2. 在制作盐桥时，用洗耳球吸取溶液转入U型管要避免有气泡进入。此时要控制好吸入溶液的速度。如果有气泡出现会影响离子的迁移。且在制作电极时要塞紧橡皮塞，防止电极管的溶液流出。3. 在使用电位差计时，控制“粗”“细”两按键开关时不要长时间按下不放。长时间按住示数会有波动，不太能稳定下来。在测量电压时，动作要迅速，时间久了电池可能发生极化现象，会对实验结果造成误差。4. 在开始测量的时，通过检流计的电流是相对较大的，为了避免检流计损坏，应该将灵敏度的旋钮放在最低档，在之后的测量过程中逐渐将检流计的灵敏度调大。6.2 思考题：（1）在用电位差计测量电动势的过程中，若检流计的光点总是向一个方向偏转，可能是什么原因？ 有可能是电池的正负极接反了，导致电动势不能相互抵消，在这种情况下不能出现电流为零的情况。或者，在调节的过程中标准电池或者待测电池的电动势已经大于了工作电池的电动势，以及在连接工作电池的回路上有断路，使得RN