原电池电动势的测定及其应用

一次电池电动势的测定及其应用。一、实验目的(1)测量铜锌电池的电动势和铜锌电极的电极电位；(2)学习一些电极制备和处理的方法；(3)掌握SDC-数字电位器的测量原理和正确使用方法。二、实验原理原电池由正极和负极组成。在电池的放电过程中，正电极经历还原反应，负电极经历氧化反应，并且其他反应也可以在电池内部发生。电池反应是电池中所有反应的总和。除了提供能量，电池还可以用来研究组成电池的化学反应的热力学性质。从化学热力学来看，在恒温、恒压和可逆的条件下，电池反应有以下关系：G=-nFE (2-69)其中G是电池反应的吉布斯自由能增加；n是电极反应中获得和损失的电子数；f为法拉第常数(其值为96500摄氏度/摩尔)；e是电池的电动势。因此，在测量电池的电动势E之后，可以获得其他热力学函数。但是，必须注意的是，在测量电池电动势时，要求电池反应本身是可逆的，可逆电池应满足以下条件：(1)可逆电池反应，即可逆电池电极反应；(2)电池内不允许有不可逆的液体结；(3)电池必须在可逆条件下工作，即充电和放电过程必须在平衡状态下进行，即允许流过电池的电流无限小。因此，在制备可逆电池和测量可逆电池的电动势时，应满足上述条件。在低精度测量中，正负离子迁移数相对接近的盐通常用于形成盐桥以消除液体结势。当测量电池的电动势时，电位计用于测量电池在接近热力学可逆性条件下的反应。原电池的电动势主要是两个电极的电极电势的代数和。如果能测量两个电极的电势，就能计算出由它们组成的电池的电动势。电池电动势和电极电势的表达式可以从(2-69)中导出。下面的分析将以铜锌电池为例。电池的表述是ZnsZnSO4m1|CuSO4m2|Cu(s)符号“”代表固相(锌或铜)和液相(硫酸锌或硫酸铜)之间的界面；“”代表连接两个液相的“盐桥”;M1和m2分别是硫酸锌和硫酸铜的摩尔浓度。当电池放电时，阳极氧化反应：Zns Zn2 aZn2 + 2e-正极开始还原反应Cu2 (aCu2 )+2e- 铜(s)电池的总反应是ZnSCu2acu 2zn2azn2Cu(s)电池反应的吉布斯自由能变化值为：G=G-RTlnaZn2大学2 (2-70)其中，G是标准配置时自由能的变化值；a是物质的活性，而纯固体物质的活性等于1，即aCu=aZn，而在标准状态下，aCu2=aZn2=1，则有G=G=-nFE (2-71)其中e是电池的标准电动势。可从(2-69) (2-71)获得：E=E-RTnFlnaZn2大学2 (2-72)对于任何电池，其电动势等于两个电极之间的电位差，其计算公式为E= - (2-73)对于铜锌电池，=Cu2 ,Cu-RT2Fln1aCu2 (2-74)-=Zn2 ,Zn-RT2Fln1aZn2 (2-75)其中，当aCu2=aZn2=1时，Cu2、铜和Zn2、锌是铜和锌电极的标准电极电势。单个离子的活性无法测量，但强电解质的活性与物质的平均摩尔浓度和平均活性系数有以下关系：aZn2=m1 (2-76)aCu2=m2 (2-77)其中是离子的平均离子活度系数，其数值与物质浓度、离子类型、实验温度等因素有关。在电化学中，电极电势的绝对值目前还不能测量。在实际测量中，以一个电极的电极电位为零点标准，然后另一个电极(被研究的电极)和它形成一个电池，并测量它们之间的电动势，那么电动势就是被测电极的电极电动势。通常，当氢压为101325Pa，溶液中氢离子活度为1时，氢电极的电极电位定义为0V，即H ,H2称为标准氢电极，然后与其他被测电极进行比较。因为氢电极不方便使用，所以其他容易制备且电极电位稳定的电极通常用作参比电极，甘汞电极通常用作参比电极。上面讨论的电池被称为化学电池，因为在电池的总反应中发生了化学变化。另一种电池叫做浓缩电池。在净作用过程中，只有一种物质从高浓度(或高压)状态转移到低浓度(或低压)状态，从而产生电动势。这种电池的标准电动势等于0V。例如，蓄电池cus | Cu 0.01000 mold m3 | | Cu 0.1000 mold m3 | cus是浓缩电池之一。电池电动势的测量必须在可逆条件下进行。必须指出，电极电动势的大小不仅与电极类型和溶液浓度有关，而且与温度有关。本实验是在实验温度下测得的电极电位T。 t可以从等式(2-74)和(2-75)中计算出来。为方便起见，298K下的标准电极电位 298K:可由下式获得 t= 298k t-298k12 (t-298k) 2，和是电极电位的温度系数。对于铜锌电池，铜电极：Cu2，Cu，=-0.01610-3 VK，=0锌电极：Zn2，锌(汞)，=-0.10010-3 VK，=0.6210-6VK三。实验仪器和药物1.工具SDC-电位器1套；1套电镀设备；一节标准电池；一个饱和甘汞电极；2根电极管；2个电极架；一个瘙痒弹热量计；一台SWC-D精密温差仪；一台压片机。2.毒品镀铜溶液；饱和硝酸亚汞(受控使用)；硫酸锌(ar)；铜和锌电极；硫酸铜(ar)；氯化钾。萘。四.实验步骤1.电极的制备(1)锌电极：将锌电极在稀硫酸溶液中浸泡一会儿，取出清洗，然后在汞或饱和硝酸汞溶液中浸泡10秒左右，表面会形成一层光亮的汞齐。用水洗涤并在空气中干燥后，将其放入0.1000mol/kgZnSO4中备用。(2)铜电极：将铜电极在6mol/dm3的硝酸溶液中浸泡一段时间，取出并清洗，将铜电极放入电镀烧杯中作为阴极，另取一根未经清洗处理的铜棒作为阳极进行电镀。电流密度应控制在20mAcm2。电镀装置如图2-44所示。电镀半小时，使铜电极表面有一层均匀的新鲜铜。洗涤后，放入0.1000毫升/千克硫酸铜中备用。2.电池组合将饱和KCl溶液注入50毫升的小烧杯中，制成盐桥，然后将制备好的锌电极和铜电极放入小烧杯中，形成铜锌电池：硫化锌|硫酸锌40.1000毫千克| |硫酸铜40.1000毫千克|硫酸铜电池装置如图2-45所示。图2-45铜锌电池装置示意图图2-44电镀装置庄铜电极制备装置050mA可变电阻铜电极铜棒下列电池以相同的方式形成：Cus | CuSO40.01000molkg毫千克| | CuSO40.1000molkg毫千克|Cus硫化锌|硫化锌40.1000毫千克|KCl饱和度|Hg2Cl2(s) |Hglhgl | hg2cl 2 | KCl饱和度|CuSO40.1000molkg |Cus3.电动势的测定(1)根据电位器的电路图连接电动势测量电路。(2)根据标准电池的温度系数，计算标准电池在实验温度下的电动势。为了校准电位计。et=E20-40.6t-202-0.01(t-20)310-6(3)分别测量上述电池的电动势。五、实验数据及处理(1)李(2)根据饱和甘汞电极的电极电位温度修正公式，计算饱和甘汞电极在实验温度下的电极电位饱和甘汞=0.2415-7.6110-4(T-298)(3)根据电池和的电动势测量值，用下式(2-73)分别计算铜电极和锌电极的t；铜和锌电极的 t应分别通过等式(2-74)和(2-75)计算。请注意，等式中应使用活动。(4)根据查表得到的 298 K(理论值)，计算电池两个电极的 T(理论值)和E理论值，并计算与E测量值相比的相对误差。(5)计算浓缩池的E理论，与测量值比较，计算相对误差。六、实验注意事项(1)制备电极时，防止正负极连接不当，严格控制电镀电流。(2)使用甘汞电极时，请取下电极帽，使用后浸泡在氯化钾溶液中。七、实验试题(1)电位器和标准电池分别有什么功能？如何保护和正确使用它？答：电位器的作用：用消去法测定电池的电动势；标准电池的功能是校准工作电池的电流。保护：电位计：转动调节按钮时，应小心避免过快或过猛损坏仪器。不使用时，将转换开关置于“关闭”位置。标准电池：使用的温度范围应在适当的范围内，不要上下颠倒，平稳拿取，不要用万用表直接测量，不要暴露在阳光下，不要用它作为电池，并按规定时间校正。(2)参比电极应具备哪些条件？它是做什么的？答：参比电极应具有高稳定性、可逆性和再现性。功能：用作标准电极和待测电极组成电池。(3)如果电池极性颠倒，会有什么后果？答：电位计的电源电动势与原电池提供的方向相同，导致短路。八、实验仪器和使用方法1.SDC-数字电位器的特性集成设计：UJ系列电位差计、光电检流计和标准电池集于一体，体积小、重量轻、便于携带。数字显示：电位差值7位显示，直观、清晰、准确、可靠。内标和外标：内标和外标均可用于测量，使用方便灵活。误差小：保留电位器的测量功能，真正体现电位器检测误差小的优势。性能可靠：该电路采用对称漂移抵消原理，克服了元件的温度漂移和时间漂移，提高了测量精度。2.使用条件电源： 220V22V50赫兹.环境：温度，-10 40；湿度，不高于85%。3.使用方法1)打开机器用电源线将仪表后面板的电源插座连接到 220伏电源上，打开电源开关，预热15分钟。2)以内标或外标作为测量的参考(1)根据“、-”的极性将测得的电动势连接到测量端子上。(2)使用“内标”校准时，将“测量选择”转到“内标”位置，将100位转到1，将其余旋钮和补偿旋钮逆时针转到底。此时，“电位指示器”显示为“1.00000伏”。零位检测指示值稳定后，按“零位提取”键。此时，零检测指示器应显示为“0000”。(3)使用“外部标准”测试时，根据极性将外部标准电池的“、-”极性与“外部标准”端子连接，将“测量选择”置于“外部标准”中，调整“10010-4”和补偿电位器，使“电位指示”值与外部标准电池的相同。“零位检测指示”值稳定后，按“零位提取”键。此时，“零检测指示”为“0000”。(4)仪器使用“内标”或“外标”。检查完成后，连接测量装置(2)不应放置在高温环境中，以避免靠近热源，如电加热器或火炉。(3)为了保证仪器的正常运行，不要打开盖子进行维护，不允许调整和更换部件，否则仪器测量的准确性将得不到保证。(4)如果带状开关旋钮松动或旋钮指示放错位置，打开旋钮盖，用一把与槽口对齐的备用定位扳手拧紧。组测试中的电池组E1五世E2/VE3五世e平均值/V硫化锌|硫酸锌40.1000毫千克| |硫酸铜40.1000毫千克|硫酸铜1.09081.09011.08841.0898Cus | CuSO40.01000molkg毫千克| | CuSO40.1000molkg毫千克|Cus0.01840.01860.01920.0187硫化锌|硫化锌40.1000毫千克|KCl饱和度|Hg2Cl2(s) |Hgl1.0