原电池电动势的测定实验报告

1、原电池电动势的测定实验报告 物理化学原电池电动势的测定 试验九 原电池电动势的测定及应用 一、试验目的 1测定Cu-Zn电池的电动势和Cu、Zn电极的电极电势。 2学会几种电极的制备和处理方法。 3把握SDC-数字电位差计的测量原理和正确的用法方法。 二、试验原理 电池由正、负两极组成。电池在放电过程中，正极起还原反应，负极起氧化反应，电池内部还可以发生其它反应，电池反应是电池中全部反应的总和。 电池除可用来供应电能外，还可用它来讨论构成此电池的化学反应的热力学性质。从化学热力学知道，在恒温、恒压、可逆条件下，电池反应有以下关系： G nFE （9-1） 式中 G是电池反应的吉布斯自由能增量；

2、n为电极反应中得失电子的数目；F为法拉第常数（其数值为96500C mol 1）；E为电池的电动势。所以测出该电池的电动势E后，进而又可求出其它热力学函数。但必需留意，测定电池电动势时，首先要求电池反应本身是可逆的，可逆电池应满足如下条件： (1)电池反应可逆，亦即电池电极反应可逆； (2)电池中不允许存在任何不行逆的液接界； (3)电池必需在可逆的状况下工作，即充放电过程必需在平衡态下进行，亦即允许通过电池的电流为无限小。 因此在制备可逆电池、测定可逆电池的电动势时应符合上述条件，在精确度不高的测量中，常用正负离子迁移数比较接近的盐类构成“盐桥”来消退液接电位。 在进行电池电动势测量时，为了

3、使电池反应在接近热力学可逆条件下进行，采纳电位计测量。原电池电动势主要是两个电极的电极电势的代数和，如能测定出两个电极的电势，就 物理化学原电池电动势的测定 可计算得到由它们组成的电池的电动势。由（9-1）式可推导出电池的电动势以及电极电势的表达式。下面以铜-锌电池为例进行分析。电池表示式为： Zn(s) ZnSO4(m1) CuSO4(m2) Cu(s) 符号“”代表固相（Zn或Cu）和液相（ZnSO4或CuSO4）两相界面；“”代表连通两个液相的“盐桥”；m1和m2分别为ZnSO4和CuSO4的质量摩尔浓度。 当电池放电时， 负极起氧化反应： Zn(s) 正极起还原反应： Cu2 (aCu

4、 Zn 2 a(Zn2 )e2 2 ) 2e Cus( )Zn 2 电池总反应为： Zn(s) Cu2 (aCu) 2 (aZn2 ) Cu(s) 电池反应的吉布斯自由能改变值为： G G RTln aZn2 aCuaCu2 aZn （9-2） 上述式中 G 为标准态时自由能的改变值；a为物质的活度，纯固体物质的活度等于1，即aCu aZn 1。而在标态时，aCu G G 2 aZn2 1，则有： nFE （9-3） 式中E 为电池的标准电动势。由（9-1）至（9-1）式可得： E E RTnF ln aZn2 aCu2 （9-4） 对于任一电池，其电动势等于两个电极电势之差值，其计算式为：

5、E （9-5） 对铜-锌电池而言 Cu 2 ,Cu RT2FRT2F ln 1aCu2 1aZn2 （9-6） Zn 2 ,Zn ln （9-7） 式中 Cu 2 和 ,CuZn 2 ,Zn 是当aCu 2 aZn2 1时，铜电极和锌电极的标准电极电势。 对于单个离子，其活度是无法测定的，但强电解质的活度与物质的平均质量摩尔浓度和 物理化学原电池电动势的测定 平均活度系数之间有以下关系： aZn2 m1 （9-8） aCu2 m2 （9-9） 是离子的平均离子活度系数，其数值大小与物质浓度、离子的种类、试验温度等因 数有关。 在电化学中，电极电势的肯定值至今无法测定，在实际测量中是以某一电极的

6、电极电势作为零标准，然后将其它的电极（被讨论电极）与它组成电池，测量其间的电动势，则该电动势即为该被测电极的电极电势。被测电极在电池中的正、负极性，可由它与零标准电极两者的还原电势比较而确定。通常将氢电极在氢气压力为101325Pa，溶液中氢离子活度为1 时的电极电势规定为零伏，即 H ,H2 0，称为标准氢电极，然后与其它被测电极进行比较。 由于氢电极用法不便，常用另外一些易制备、电极电势稳定的电极作为参比电极，常用的参比电极有甘汞电极。 以上所商量的电池是在电池总反应中发生了化学改变，因而被称为化学电池。还有一类电池叫做浓差电池，这种电池在净作用过程中，仅仅是一种物质从高浓度（或高压力）状

7、态向低浓度（或低压力）状态转移，从而产生电动势，而这种电池的标准电动势E 等于零伏。 例如电池Cu(s) Cu(0.01000mol dm 3) Cu(0.1000mol dm 3) Cu(s)就是浓差电池的一种。 电池电动势的测量工作必需在电池可逆条件下进行，必需指出，电极电势的大小，不仅与电极种类、溶液浓度有关，而且与温度有关。本试验是在试验温度下测得的电极电势 T， 由（9-6）式和（9-7）式可计算 T。为了比较便利起见，可采纳下式求出298K时的标准电 极电势 298。 K T 298K (T 298K) 12 (T 298K) 2 式中 、 为电极电势的温度系数。对于Cu-Zn电池

8、来说： 铜电极(Cu2 ,Cu), 0.016 10 3V K 1, 0 锌电极Zn2 ,Zn(Hg), 0.100 10 3V K 1, 0.62 10 6V K 2 物理化学原电池电动势的测定 三、仪器和试剂 SDC-电位差计1台； 电镀装置1套； 标准电池1个； 饱和甘汞电极1支； 电极管2支； 电极架2个； 镀铜溶液； 饱和硝酸亚汞（掌握用法）； 硫酸锌（分析纯）； 铜、锌电极； 硫酸铜（分析纯）； 氯化钾（分析纯）。 四、试验步骤 1电极的制备 (1)锌电极：将锌电极在稀硫酸溶液中浸泡片刻，取出洗净，再浸入汞或饱和硝酸亚汞溶液中约10s，表面上即生成一层光亮的汞齐，用水冲洗晾干后，插

9、入0.1000mol kg 1ZnSO4中待用。 (2)铜电极：将铜电极在6mol dm 3的硝酸溶液中浸泡片刻，取出洗净，将铜电极置于电镀烧杯中作为阴极，另取一个经清洁处理的铜棒作阳极，进行电镀，电流密度掌握在20mA cm 2为宜。其电镀装置如图9-1所示。电镀半小时，使铜电极表面有一层匀称的新奇铜，洗净后放入0.1000mol kg 1CuSO4中备用。 2电池组合 将饱和KCl溶液注入50mL的小烧杯内，制盐桥，再将上面制备的锌电极和铜电极 Zn电极 盐桥 铜电极 图9-1 制备铜电极的电镀装置图9-2 Cu-Zn电池装置示意图 置于小烧杯内，即成Cu-Zn电池： 物理化学原电池电动势

10、的测定 Zn(s) ZnSO4(0.1000mol kg 1 ) CuSO4(0.1000mol kg 1 ) Cu(s) 电池装置如图9-2所示。 同法组成下列电池： Cu(s) CuSO4(0.01000mol kgZn(s) ZnSO4(0.1000mol kg 1 1 ) CuSO4(0.1000mol kg 1 ) Cu(s) ) KCl(饱和) Hg2Cl2(s) Hg(l) 1 Hg(l) Hg2Cl2(s) KCl(饱和) CuSO4(0.1000mol kg ) Cu(s) 3电动势的测定 (1)根据电位差计电路图，接好电动势测量线路。 (2)依据标准电池的温度系数，计算试验

11、温度下的标准电池电动势。以此对电位差计进行标定。 Et/V E20/V 40.6(t/ C 20) 0.95(t/ C 20) 0.01(t/ C 20) 10 2 3 6 (3)分别测定以上电池的电动势。 五、数据记录及处理 1.将试验数据列表。 标准溶液NaoH浓度为0.102mol/L 2.计算各瓶中醋酸的起始浓度c0，平衡浓度c及吸附量 （mol kg1）。 计算结果如上表。 物理化学原电池电动势的测定 由计算吸附量。 3吸附量对平衡浓度作等温线。 4.作c/ -c图，并求出 和常数K。 由直线斜率得: =0.05168mol/kg 由直线截距得： K=-47.29 物理化学原电池电动

12、势的测定 5.由计算活性炭的比表面。 =756.006 结果与商量 1.比表面测定与哪些因素有关，为什么？ a. 测定固体比表面时所用溶液中溶质的浓度要选择适当，即初始溶液的浓度以及吸附平衡后的浓度都选择在合适的范围内。既要防止初始浓度过高导致消失多分子层吸附，又要避开平衡后的浓度过低使吸附达不到饱和。如次甲基蓝在活性炭上的吸附试验中原始溶液的浓度为2gdm-3左右，平衡溶液的浓度不小于1mgdm-3。 b. 按朗格谬尔吸附等温线的要求，溶液吸附必需在等温条件下进行，使盛有样品的三角瓶置于恒温器中振荡，使之达到平衡。本试验是在空气浴中将盛有样品的三角瓶置于振荡器上振荡。试验过程中温度会有改变，

13、这样会影响测定结果。 2.由于试验酸碱滴定过程中，滴定的体积存在肯定的偏差，所以导致试验结果1和3瓶所测得结果存在偏差，故在酸碱滴定中需要操作规范，使试验结果更精准. 六、留意事项 1制备电极时，防止将正负极接错，并严格掌握电镀电流。 2甘汞电极用法时请将电极帽取下，用完后用氯化钾溶液浸泡。 七、思索题 1电位差计、标准电池各有什么作用?如何爱护及正确用法? 2参比电极应具备什么条件?它有什么功用? 3若电池的极性接反了有什么后果? 附录 SDC-数字电位差计 一、SDC-数字电位差计的特点 物理化学原电池电动势的测定 一体设计：将UJ系列电位差计、光电检流计、标准电池等集成一体，体积小，重量

14、轻，便于携带。 数字显示：电位差值七位显示，数值直观清楚、精准牢靠。 内外基准：即可用法内部基准进行测量，又可外接标准作基准进行测量，用法便利敏捷。 误差较小：保留电位差计测量功能，真实体现电位差计对检测误差微小的优势。 性能牢靠：电路采纳对称漂移抵消原理，克服了元器件的温漂和时漂，提高测量的精准度。 二、用法条件 电源：220V10%；50Hz 环境：温度-1040；湿度85% 三、用法方法 1开机 用电源线将仪表后面板的电源插座与220V电源连接，打开电源开关（ON），预热15分钟。 2以内标或外标为基准进行测量 (1)将被测电动势按“+、-”极性与测量端子对应连接好。 (2)采纳“内标”

15、校验时，将“测量选择”至于“内标”位置，将100位旋置于1，其余旋钮和补偿旋钮逆时针旋究竟，此时“电位指标”显示为“1.00000V”，待检零指示数值稳定后，按下“采零”键，此时，检零指示应显示“0000”。 (3)采纳“外标”校验时，将外标电池的“+、-”极性按极性与“外标”端子接好，将“测量选择”置于“外标”，调整“10010-4”和补偿电位器，使“电位指示”数值与外标电池数值相同，待“检零指示”数值稳定之后，按下“采零”键，此时“检零指示”为“0000”。 (4)仪器用“内标”或“外标”，校验完毕后将被测电动势按“+、-”极性与“测量”端子接好，将“测量选择”置于“测量”，将“补偿”电位器逆时针旋究竟，调整“10010-4”五个旋钮，使“检零指示”为“-”，且肯定值最