实验八 电动势的测定及其应用.doc

物理化学实验教案 （钟爱国）适用对象 化学教育实验学时 3 学时实验八 电动势的测定及其应用电动势的测量在物理化学研究中具有重要意义。通过电池电动势的测量可以获得氧化还原体系的许多热力学函数。电池电动势的测量必须在可逆条件下进行。首先要求电池反应本身是可逆的，同时要求电池必须在可逆情况下工作，即放电和充电过程都必须在准平衡状态下进行，此时只允许有无限小的电流通过电池。因此，需用对消法来测定电动势。其测量原理是在待测电池上并联一个大小相等、方向相反的外加电势差，这样待测电池中没有电流通过，外加电势差的大小即等于待测电池电动势。原理见下图。工作电源电位计检流计标准电池待测电池对消法测定电池电动势常用的仪器为电位差计及标准电池、工作电源、检流计等配套仪器，见下图，有关电位差计的工作原理及使用方法请仔细阅读“基础知识与技术部分”中第四章的有关内容。本实验包括以下几部分：(1)电极电势的测定；(2)溶度积的测定；(3)溶液pH值的测定；(4)求电池反应的rGm、rSm、rHm、rG。(一) 电极电势的测定【目的要求】1. 学会几种金属电极的制备方法。2. 掌握几种金属电极的电极电势的测定方法。【实验原理】可逆电池的电动势可看作正、负两个电极的电势之差。设正极电势为+，负极电势为-，则：E+-电极电势的绝对值无法测定，手册上所列的电极电势均为相对电极电势，即以标准氢电极(其电极电势规定为零)作为标准，与待测电极组成一电池，所测电池电动势就是待测电极的电极电势。由于氢电极使用不便，常用另外一些易制备、电极电势稳定的电极作为参比电极，如：甘汞电极、银-氯化银电极等。本实验是测定几种金属电极的电极势。将待测电极与饱和甘汞电极组成如下电池：Hg(l)-Hg2Cl2(S)KCl(饱和溶液)Mn(a)M(S)金属电极的反应为： Mn+ ne M 甘汞电极的反应为： 2Hg2Cl-Hg2Cl22e 电池电动势为： (1)式中，(饱和甘汞)0.242407.610-4(t25) (t为)，am【仪器试剂】原电池测量装置1套；银电极1支；铜电极1支；锌电极1支；饱和甘汞电极1支。AgNO3(0.1000molkg-1)；CuSO4(0.1000molkg-1)；ZnSO4(0.1000molkg-1)；KNO3饱和溶液；KCl饱和溶液。【实验步骤】1. 铜、锌等金属电极的制备见本实验的讨论部分。2. 测定以下三个原电池的电动势。(1) Hg(l)-Hg2Cl2(S)饱和KCl溶液CuSO4(0.1000molkg-1)Cu(S)(2) Zn(S)Zn SO4 (0.1000molkg-1)CuSO4(0.1000molkg-1)Cu(S)(3) Zn(S)Zn SO4 (0.1000molkg-1)KCl(饱和)Hg2Cl2(S) -Hg(l) 3. 测量步骤(1) 连接线路，依次将工作电源、检流计、标准电池以及被测电池接在电位差计相应端钮上。(2) 调节工作电压(标准化)。将室温时标准电池电动势算出，调节温度补偿旋钮至计算值。20时，。将转化开关打到N上，调节粗、中、细、微四个旋钮，依次按下电计旋钮“粗”、“细”，直至检流计指零， 在测量过程中，经常检查是否发生偏离，加以调正。(3) 测量未知电池电动势。将转换开关打在X1或X2上，从大到小调节6个测量旋钮，依次按下电计旋钮“粗”、“细”，直至检流计指零， 6个小窗口读书即为Ex。【数据处理】由测定的电池电动势数据，利用公式(1)计算铜、锌的标准电极电势。其中离子平均活度系数 (25)见附录二十九。(三) 测定溶液的pH值【目的要求】1. 掌握通过测定可逆电池电动势测定溶液的pH值2. 了解氢离子指示电极的构成【实验原理】利用各种氢离子指示电极与参比电极组成电池，即可从电池电动势算出溶液的pH值，常用指示电极有：氢电极、醌氢醌电极和玻璃电极。今讨论醌氢醌(QQH2)电极。QQH2为醌(Q)与氢醌(QH2)等摩尔混合物，在水溶液中部分分解。 (QQH2) (Q) (QH2)它在水中溶解度很小。将待测pH溶液用QQH2饱和后，再插入一只光亮Pt电极就构成了QQH2电极，可用它构成如下电池：Hg(l)-Hg2Cl2(S)饱和KCl溶液由QQH2饱和的待测pH溶液(H+)Pt(S)QQH2电极反应为：Q2H+2eQH2因为在稀溶液中aHCH，所以：QQHQQH pH可见，QQH2电极的作用相当于一个氢电极，电池的电动势为：E+-QQH pH(饱和甘汞)pH(QQHE(饱和甘汞) (6)其中 QQH0.69947.410-4(t25)，(饱和甘汞)见(一)。【仪器试剂】原电池测量装置1套；Pt电极1只；饱和甘汞电极1只。KCl饱和溶液；醌氢醌(固体)；未知pH值溶液。【实验步骤】测定以下电池的电动势Hg(l)-Hg2Cl2(S)饱和KCl溶液由QQH2饱和的待测pH溶液Pt(S)【数据处理】根据公式(6)计算未知溶液的pH值。【注意事项】 连接仪器时，防止将正负极接错。 盐桥内不能有气泡。 标准电池不能倒置，晃动。 恒温槽设定温度低于25，根据水银温度计调整设定温度。 倒入恒温夹套的溶液没过电极即可。 测量过程中，检流计受到冲击，应迅速按下短路按钮，保护检流计。 工作电源的电压会发生变化，故在测量过程中要经常标准化。另外，新制备的电池电动势不够稳定，应隔数分钟测一次，取其平均值。 测定时电计旋钮按下的时间尽量短，以防止电流通过而改变电极表面的平衡状态。 测试时必须先按电位计上“粗”按钮，待检流计示零后，再按“细”按钮，以免检流计偏转过猛而损坏，按按钮时间要短，不超过1s，以防止过多电量通过标准电池和待测电池，造成严重极化现象，破坏电池的电化学可逆状态。 测定过程中，检流计一直向一边偏转，可能是正负极接错，导线有断路，工作电源电压不够等造成，应进行检查。 试验完毕，把盐桥放入水中加热溶解，洗净，其它各仪器复原，检流计短路放置。【数据处理】1. Hg(l)-Hg2Cl2(S)饱和KCl溶液CuSO4(0.1000molkg-1)Cu(S)E1=0.048776V；E2=0.048667V；E3=0.048563V；相对误差：2. Zn(S)Zn SO4 (0.1000molkg-1)KCl(饱和)Hg2Cl2(S) -Hg(l)E1=1.057900V；E2=1.057700V；E3=1.058300V；相对误差：3. Zn(S)Zn SO4 (0.1000molkg-1)CuSO4(0.1000molkg-1)Cu(S)E1=1.097900V；E2=1.087700V；E3=1.078300V；E(理论)0.337-(-0.7628)1.0998V相对误差：该电池为补加，目的是甘汞电极在使用过程中往往有一定的误差，并且随着使用时间的增长，该误差会有所增加，导致使用该电极测得的一些数据误差较大，故补测这个原电池，看看甘汞电极带来的误差是否会很大。4. Hg(l)-Hg2Cl2(S)饱和KCl溶液由QQH2饱和的待测pH溶液(H+)Pt(S)待测pH的溶液几周配制一次，所以测量结果都会有所不同。取其中一次数据：E1=0.210000V；E2=0.211200V；E3=0.208900V；此次溶