电池电动势的测定及其应用实验报告

1、电池电动势的测定及其应用一、实验目的：1了解对消法测定电池电动势的原理；2掌握电动势测定难溶物溶度积（K SP ）的方法；3掌握常用参比电极银一氯化银电极的制备方法。二、实验原理：电池由两个半电池组成（半电池包括一个电极和相应的电解质溶液） ，当电池放电时，进行氧化反应的是负极，进行还原反应的是正极。电池的电动势就是通过电池的电流趋近于零时两极之间的电位差。它可表示成：EEE式中 E 、 E 分别表示正、负电极的电位。当温度、压力恒定时，电池的电动势 E（或电极电位 E 、 E ）的大小取决于电极的性质和溶液中有关离子的活度。电极电位与有关离子活度之间的关系可以由 Nernst 方程表示：E

2、ERT ln aB B（ 16-1）zFB式中： z 为电池反应的转移电子数，B 为参加电极反应的物质B 的化学计量数，产物 B 为正，反应物 B 为负。本实验涉及的两个电池为：-1-1（ 1）（一）Ag（ s），AgCl（ s） KCl（ 0.0200 mol L· ） AgNO 3（0.0100 mol L· ） Ag（s）（ +）-1（ 2）（一） Hg（ l），Hg2Cl2（s） KCl （饱和） AgNO 3（0.0100 mol L· ） Ag（s）（ +）在上述电池中用到的三个电极是：（1） 银电极：电极反应：AgmolL 1)e Ag(0.01（

3、16-2）E Ag/ AgE Ag/ AgRT ln aAgF其中： E Ag / Ag0.7991 0.00097(t25)V式中： t 为摄氏温度（下同），（2） 甘汞电极：电极反应： HgCl 2 (s)2e2Hg (l )2Cl(aCl)（16-3）供参考E Hg 2 Cl 2 (s) / HgEHg 2 Cl 2 (s) / HgRTln aClaClF对于饱和甘汞电极，温度一定时，为定值，因此饱和甘汞电极电位与温度有关，其关系式为：E Hg 2Cl 2 ( s) / Hg0.24150.00065(t25) V（3） 银氯化银电极电极反应AgCl (s)eAgCl (a')

4、（16-4）Cl根据溶度积关系式 a'a'K sp 得AgClE AgCl( s) / AgE Ag/ AgRT ln a'FAgK spE Ag/ AgRTFln'aClE Ag/ AgRT ln K sp RT ln a'FFClE AgCl (s) / AgRT ln aCl'(16-5)RT lnF式中：E() /AgEAg/AgK SP0.2224 0.000645(t25)VAgClsF由上式可见，利用Nernst 关系式可求得难溶盐的溶度积常数，为此我们将（ 16-2）、（ 16-4）两个电极连同盐桥组成电池（） ，其电动势可表示为

5、：EEE= E Ag/ AgE AgCl (s) / Ag= E Ag/ Ag RT( E Ag/ AgRTRTln a Agln K SPln acl )FFF=RT ln K SPRT ln(a Agacl )FF整理得：K SPaAgaclexpEF(16-6)RT因此，给定电池 (I)中左右半电池活度 aCl' 和 aAg ，若测得电池（I ）的电动势，依上式即可求出 AgCl 的溶度积常数。电池电动势一般采用 Poggendorff 对消法测定。根据欧姆定律， 电池电动势 E I ( R r ) V Ir ，r 为电池内阻。当回路中电流 I 0时，此时 E=V，这就是对消法的

6、基本原理，其测量方法如图 1 所示。当 K与 EN 连接时，移动接触点 C，使 G 中无电流通过，此时 AC 上的电位降等于标准电池的电动势，又因AB 是均匀电阻，故有ENACVABAB而当 K 与待测电池 EX 连接时，移动触点 C' ，使回路中 G 上电流为零，则：供参考图 1对消法原理示意图EXAC 'VABABE XAC 'E NAC在温度一定时， 标准电池电动势 EN 是定值，只要测量 AC 和 AC ' ，就可求得待测电池的电动势 EX 。三、仪器和药品：仪器和材料： UJ 25 型直流电位差计 (或数字式电位差综合测试仪 )；直流复射式检流计（ 1

7、0-9A/mm ）；毫安表；标准电池；甲级干电池（甲电池） ；饱和甘汞电极；银电极；银丝（纯度99.5%）；KNO 3 盐桥； 10mL 小烧杯；电阻箱。药品：饱和 KCl 溶液；-1-10.0200 mol L·KCl 溶液； 0.1 mol L·HCl 溶液；稀氨水。四、实验步骤：1Ag/AgCl 电极制备取经退火处理过、直径约为 0.5mm 的银丝 3 根，用金相砂纸擦至发亮以除去银丝表面的氧化物， 然后在稀氨水中浸泡数分钟。取出用高纯度水洗净，再用滤纸吸干备用。将其中二根银丝作阳极，另一根作阴极，分别插入 0.1M 的 HCl 溶液中，按图 2 所示的线路接通电路，

8、调节电阻使阴极电流密度大约为 5mA/cm 2，电解 20 分钟，使银丝表面覆盖一层棕黑色的 AgCl 镀层。镀层以均匀、致密为好。电解完毕取出制好的电极，用纯水洗净，再用滤纸吸干（但不可用滤纸摩擦， 以防镀层剥落）。由于拉丝时引入杂质，电极电位偏图 2 电极制备装置示意图差最大可达± 5mV ，但该电极稳定性尚好，可用作参比电极。1，2-银电极； 3-电阻箱； 4-电源电极制备：电流值的选取（按电流密度 3mA/cm 2,浸入 0.1MHCl 中，长度为 2cm(2 根)，银丝直径为 0.5mm 计算）银丝表面积 2R*h=D*hI=PI *S=5mA/cm21根 *2根 =3.1

9、4mA， 取 3mA* *0.5*10 *2cm/若银丝长度为 3cm,则 I=PI *S=5mA/cm 2*3.14*0.5*10-1*3cm/ 根 *2根=4.2mA约4.5mA在 HDY-1 恒电流仪上，若量程为 10mA ，电流量为 -0.3mA, 电压为 + -0.45mA*(10mA)=4.5mA此时，红色夹子为“ +”极，通过的电流密度为5mA/cm 22. 盐桥的制备所谓“盐桥”，是指正负离子迁移数比较接近的盐类溶液（如KCl 、 KNO 3和 NH 4NO3 等水溶液）所构成的桥，用来连接两个半电池中的两个溶液， 使其不直接接界，以消除或减小液体接界电势。以 KNO 3 盐桥

10、为例，其制备方法是以琼供参考胶 ： KNO 3 ： H2O=1.5： 20：50 的比例加入到烧杯中，加热溶解，用滴管将其灌入干净的 U 形管中， U 形管中及管端不能留有气泡，冷却后待用。3组建电池（）用 1 支 Ag/AgCl 电极、一个 KNO 3 盐桥和一支 Ag/Ag +电极组成电池（），并依照电位差计使用说明，接好电动势测量线路。注意：标准电池、工作电池的正、负极不能接错。盐桥在插入之前要用蒸馏水淋洗（切勿用自来水！ ），并用滤纸轻轻擦干，插入时注意在U 形管口不要留有气泡。两烧杯的液面基本平齐。为了节省溶液，液面在烧杯1/31/2 处即可。4校正工作电流先读取环境温度， 校正标准

11、电池的电动势， 调节直流电位差计面板右上方标准电池温度补偿旋钮至计算值。将转换开关拨至“ N”处，转动电位差计面板右方的工作电流调节旋钮“粗” “中”“细”“微”，使工作电流符合标准，校正完毕后，右方的工作电流调节旋钮在测定过程中不要再动。5. 测电池（）电池电动势将转换开关拨至未知“ X 1”或“ X 2”处，将一支 Ag/AgCl 电极浸在 0.0200 mol·L-1KCl 溶液中，测量此电池的电位， 直至电位值在 23 分钟内基本不变 （变化 <0.1mV）为止。 Ag/AgCl 电极在安装时应注意，勿将露出的银与溶液接触。重复测定步骤，再测另一支 Ag/AgCl 电极

12、的电位。6组建电池（）用饱和甘汞电极、 KNO 3 盐桥和银电极组成电池（） 。安装甘汞电极时应注意拨去橡皮套和橡皮塞，并使甘汞电极内的液面高出烧杯中的液面。7. 测电池（）电池电动势按步骤 5 测定。五、数据处理：A理论值计算（实验温度T=14）：(1) E 甘汞电极 = 0.2415-0.00065（14-25）=0.2487 (V)E Ag/Ag+ = 0.7991-0.00097（14-25） =0.8098 (V)E Ag/AgCl = 0.2224-0.000645（14-25） = 0.2295 (V)(2) 电池 I：E= E- E= E+ RT/F lna+ RT/F lna

13、+-Ag/Ag+Ag+ E Ag/AgclCl-=0.8098-0.2295+(8.314*287.15/96485)*ln(0.01*0.9*0.02*0.8)= 0.3614 (V)电池： E= E +-Ag+- RT/F lnaCl- E= EAg/Ag+- E甘汞电极+ RT/F lna=0.8098-0.2487+ RT/F lnaAg+ / acl-=0.4474 (V)(3)E=E- RT/F ln(1/K)=0(平衡 )Ag/Agcl- EAg/Ag+spln Ksp =EF/RT= -(0.5803*96485)/ (8.324*287.15) = -23.9523988Ks

14、p=3.95585*1011B实验值：实验温度： _14_大气压： _102.10kPa_实验温度下的标准电动势_1.01884V_供参考1.电池（ 1）：-1·3-1（一） Ag(s),AgCl(s)|KCl(0.0200 mol L·)|AgNO(0.0100 mol L)| Ag(s)(+)电池反应：Ag/AgCl 电极电动势 （V）编号理论计算值测量值1_0.360325_10.36142_0.360326_平均 0.3603261_0.358369_20.36142_0.358323_平均 0.358346总平均0.3593362. 电池（）：-1（一） Hg(1

15、),Hg2Cl2(s)|KCl( 饱和 )|AgNO3(0.0100 mol L·)|Ag(s)(+)电池反应：电动势（V）理论计算值测量值10.4412720.447420.441297平均 0.441284六、讨论注意的问题：1.测定线路接入时，标准电池应最后接入。2.测定时，按钮不能长时间按下。3.电极制备时， AgCl 镀层应尽量卡些（浸入HCl 液中的银丝应尽量长些）以免测定时未镀 AgCl 的银丝浸入溶液。4.测量时小烧杯内溶液尽量等高。5.甘汞电极使用时应拔去橡皮塞和橡皮套，电极内应有KCl 晶体，电极内应有KCl 晶体，电极内液面应高于小烧杯内液面。6.电极制备时，电

16、流大小的制备I=J*A 测 。七、思考题：1、实验前为什么要读取室温？答案： 为了求出室温下标准电池的电动势值，用于标准电池的校正。2、如何测定未知电池的电动势（操作）供参考答案： 1）拔出“外标插孔”的测试线，再用测试线将被测电池按正、负极对应插入“测量插孔”。2）将“测量选择”旋钮置于“测量”，将“补偿”旋钮逆时针旋到底。3）由大到小依次调节面板上“100-10 -4 ”五个旋钮，使“电位指示”显示的数值为负且绝对值最小。4）调节“补偿旋钮”，使“检零指示”显示为“0000”，此时“电位指示”数值即为被测电池电动势的值。5）重复上述各步，每隔2min 测量一次，每个温度测三次，同时记录实验

17、的准确温度即恒温槽中温度计的温度。6）然后调节恒温槽的温度分别为其余4 个温度， 重复上述操作， 测上述温度下电池的电动势E。3、测定时为什么绝对不可将标准电池及原电池摇动、倾斜、躺倒和倒置？答案： 标准电池及原电池摇动、倾斜、躺倒和倒置会破坏电池中电极间的界面，使电池无非正常工作。4、盐桥有什么作用？答案： 盐桥可降低液体接界电势。5、可逆电池应满足什么条件？应如何操作才能做到？答案： 可逆电池应满足如下的条件：电池反应可逆，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。电池必须在可逆的情况下工作，即充放电过程必须在平衡态进行，亦即要求通过电池的电流应为无限小。操作中（ 1）由电

18、池本性决定； （ 2）加盐桥降低； （ 3）用对消法测量。6、在测量电池电动势时，尽管我们采用的是对消法，但在对消点前，测量回路将有电流通过，这时测得的是不是可逆电池电动势？为什么？答案： 因为有电流通过，不能满足可逆电池第三点，所不是可逆电池电动势。7、为什么用伏特表不能准确测定电池电动势?答案： 不能用伏特计测量电池电动势，就是因为使用伏特计时，必须使回路中有电流通过才能驱动指针旋转，所测结果为不可逆电池两极间电势差，不是可逆电池电动势。8、参比电极有什么作用?答案： 参比电极( 二级标准电极) 作用是代替标准氢电极测定电池电动势。供参考9、醌氢醌 (Q · QH2) 电极有什么

19、用途？答案： 可做为参比电极测溶液瓣PH 值或氢离子浓度。10、电池在恒温时（没测量时）为什么要将电钳松开？答案： 防止电极极化11、利用参比电极可测电池电动势，此时参比电极应具备什么条件?答案： 参比电极应具备条件是：容易制备，电极电势有一定值而且稳定。12、如何制备醌氢醌(Q· QH2) 电极？答案： 在待测液中放入一定量的(Q·QH2) ，搅拌使这溶解，然后将一根铂电极放入待测液中。13、为何测电池电动势要用对消法？对消法的原理是什么？答案： 可逆电池要求电路中无电流通过，用对消法可满足这个条件。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

20、上I 0，这时所测出的 E就等于被测电池的电动势 E。14、 如何由实验求电池的温度系数E Tp，答案： 通过测定恒压下电池在不同温度下的电动势E，由 E-T 数据作 E-T 关系图。从曲线的斜率可求任意温度下的温度系数E Tp ，15、选用作盐桥的物质应有什么原则？答案： 选用作盐桥的物质应有什么原则：盐桥中离子的r + r - ， t + t - ，使 Ej 0。盐桥中盐的浓度要很高，常用饱和溶液。常用饱和KCl 盐桥，因为 K+与 Cl - 的迁移数相近。 作为盐桥的溶液不能与原溶液发生反应，当有Ag+时用 KNO 或 NH NO343。16、在测量电动势之前如何进行校准化操作？（操作题

21、）答案：0）根据室温按公式ES-5计算标准电池在该室温下的S。×=1.0183-4.06 10(t-20),E1）、将“测量选择”旋钮置于“外标”。2）、将已知电动势的标准电池按“+”“”极性与“外标插孔”连接。3）、调节“ 100-10-4”五个旋钮和“补偿”旋钮，使“电位指示”显示的数值与外标电池数值相同。供参考4）、待“检零指示”数值稳定后，调节调零旋钮，使“检零指示”显示为“0000”。17、如何调节恒温槽温度？答案：例 45.8 ±0.1。按下 “恒温控制器 ”的电源开关，左下角的红色按钮 左侧窗口显示的是当前恒温槽中的水温 按 “控制器 ”上的 “箭头 ”按钮进

22、行调温 至右侧窗口设置实验温度区， 十位数闪烁， 通过按 “”“”按钮使十位数为 “4”再按 “箭头 ”按钮，至个位数闪烁，数字为“5” 继续按 “箭头 ”按钮，至小数点后第一位数闪烁，数字为 “8”继续按 “箭头 ”按钮，至左侧窗口的 “工作 ”灯亮，表示恒温槽开始工作 按 “控制器 ”上的 “回差 ”按钮 ，至 0.1 将“玻璃恒温水浴 ”上的 “加热器 ”上的 “开，关 ”按钮至 “开 ”档 “强，弱 ”按钮至 “强 ”档 将 “玻璃恒温水浴 ”上的 “水搅拌 ”上的 “开，关 ”按钮至 “开”档 “快，慢 ”按钮至 “慢 ”档 设置完毕，设置的温度为 45.8 ±0.1。18、 SDC- A 型电位差计测定电动势过程中如何修正？答案：0）根据室温按公式E-5计算标准电池在该室温下的。×S=1.0183-4.06 10(t-20),ES1）、将“测量选择”旋钮置于“外标”。2）、将已知电动势的标准电池按“+”“”极性与“外标插孔”连接。3）、调节“ 100-10-4”五个旋钮和“补偿”旋钮，使“电位指示”显示的数值与外标电池数值相同。4）、待“检零指示”数值稳定后，调节调零