原电池电动势的测定及其应用

1、实验名称原电池电动势的测定及其应用班组姓名同组者姓名日期_年_月_日一、实验目的1. 理解电极、电极电势、电池电动势、可逆电池电动势的意义。2掌握用对消法测定电池电动势的基本原理和数字式电子电位差计的使用方法。3.学会几种电极和盐桥的制备方法。二、实验原理1. 对消法测电动势的原理：测量电池电动势只能在无电流通过电池的情况下进 行，因此需用对消法（又叫补偿法）来测定电动势。对 消法测定电动势就是在所研究的电池的外电路上加一 个方向相反的电压。当两者相等时，电路的电流为零（通过检流计指示）。对消法测电动势常用的仪器为电 位差计，其简单原理如右图所示：【Ew Es、Ex分别为工作电池、标准电池、待

2、测电池。当K与Es接通时，调节Rf及滑动头至C1,使检流计中无电流通过。此时有 Es=UC1A 工作回路电流 I = UC1A /RC1A=Es/RC1A当K与Ex接通时，调节滑头至C2,使检流计中无电流通过，此时有 Ex= UC2A工作回路电流 I=UC2A/RC2A=Ex/RC2A因此 Es/RC1A =Ex/ RC2A 即 Ex = RC2A?（Es/RC1A ）2. 电极电势的测定原理：原电池是化学能转变为电能的装置，在电池放电反应中，正极（右边）起还原 反应，负极（左边）起氧化反应。电池的电动势等于组成电池的两个电极电位的差值。即：E右式中E是原电池的电动势；左分别代表正、负极的电极

3、电势其中:RT , 氧化ZF还原RTlnZF氧化还原ZnSO4溶液( 0.1mol/L)CuS04溶液(0.1mol/LCuSO溶液(0.01mol/L)饱和KCl溶液H2SO溶液（6mol/L）HNO3溶液（6mol/L）在式（3）中：分别代表正、负电极的标准电极电势；-1.K-1;T是绝对温度；Z是反应中得失电子的数量；F=96500C称法拉第常数；氧化为参与电极反应的物质的还原态的活度。3. 浓差电池：一种物质从高浓度（或高压力）状态向低浓度（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为零。三、仪器与试剂1 台;EM-3C型数字式电子电位差计（南京大学应用物理研究所监制）

4、标准电池（中华人民共和国上海电工仪器厂）1个;饱和甘汞电极（上海康宁电光技术有限公司）1个;锌电极1个铜电极2个四、实验步骤（一）、电极制备1、锌电极（1）将锌电极在6mol/L硫酸溶液中浸泡片刻，除去表面上的氧 化层，取出后用水洗涤，再用蒸馏水淋洗。（2）浸入含有饱和硝酸亚汞溶液和棉花的烧杯中约5s，使电极表面上形成一层光亮均匀的锌汞齐，再用蒸馏水淋洗后用滤纸擦 拭，然后插入0.1mol/L的ZnSO4溶液中待用。（3）把汞齐化的锌电极插入清洁的电极管内并塞紧，将电极管的虹吸管口浸入0.1mol/L ZnSO4溶液中，用洗耳球自支管抽气，将溶液吸入电 极管直到较虹吸管略高一点时，停止抽气，旋

5、紧螺旋夹。电极的虹吸管口内（包括管口）不可有气泡，也不能有漏液现象。注意:1、电极应浸洗干净，否则内部会存在一个微小的电势，会抵消一部分电势,从而影响实验结果。2、锌汞齐化能消除金属表面机械应力不同的影响，使该电极具有稳定的电极电位3、实验前应先检查半电极管是否漏气； 装液前，需要用少量的电解质溶液淋 洗，以确保浓度的准确性。2、铜电极将铜电极在6mol/L硝酸溶液中浸泡片刻，取出后用水洗涤，再用 蒸馏水淋洗，其余制作步骤同上。电池 1: Zn|ZnSO4(0.1mol/L)|KCl( 饱和)|Hg2CI2|Hg-1电池 2: Hg|Hg2CI2|KCI(饱和)|CuSO4(0.1mol/L)

6、|Cu /T: 分-H电池 3: Zn|ZnSO4(0.1mol/L)|CuSO4(0.1mol/L)|Cu7-按右图所示，将饱和KCl溶液注入50mL的小烧杯中，得X电it(二) 电池组合电池 4: CuS04(0.01mol/L)|Cu|CuS04(0.1mol/L)|Cut(三) 标定电位差数字式电子电位差计使用方法：1. 校正：(1) 打开电源开关，预热10mi n；(2) 将标准电池按“ +”、“- ”极性与“外标插孔”连接；(3) 将“功能选择”旋钮置于“外标”；(4) 调节“ 103 mV-10-2 mV六个旋钮，使“电动势指示”显示的数值与标准 电池数值相同；(5) 按下“校准

7、”按钮。2. 测量:(1) 将电池按“ +”、“- ”极性与“测量插孔”连接；(2) 将“功能选择”旋钮置于“测量”；(3) 调节“ 103 m 10-2 mV”六个旋钮，使“平衡指示”显示在零值附近。五、数据处理1. 记录各电池的电动势原电池电动势的测定及其应用数据记录表实验日期 2012年3月5日大气温度 10.3 C标准电池电动势 1000.03mV实验操作人 王雅晴、严旭青大气压力 101 MPa实验温度 10.4C电池1电池2电池3电池4第一次963.83mV84.39mV1053.39mV19.67mV第二次964.39 mV84.49mV1053.29mV19.37mV第三次96

8、4.49 mV84.39mV1053.28mV19.27mV平均值E测963.23mV84.42mV1053.32mV19.44mV2根据测定的各电池的电动势，分别计算0 02 2Zn ,Zn Cu ,Cu饱和甘汞电极 N = 0.2415- 7.61 X 10-4 (10.4/ C-25) =0.2520 V m(cU+)=0.1000mol/kg 时，a cu2+=0.16 X 0.1000=0.016 ; m(cU+)=0.0100mol/kg 时，a cu2+=0.40 X 0.0100=0.004 ; m(Zn )=0.1000mol/kg 时，a Zn =0.15 X 0.1000

9、=0.015 ;由电池 1: Zn|ZnSO4(0.1mol/L)|KCI( 饱和)|Hg2CI2|Hg可知:0Zn Wzn= 饱 和 甘 汞 电 极 /V+ZF还原可知：0 2VCu ,CuE2-RTln 丄化ZF还原-E1=0.2520+8.314X(10.4+273.15)/(2X96500)Xln(1/0.015 ) -0.96323=-0.6599由电池 2: Hg|Hg2Cl2|KCl(饱和)|CuSO4(0.1mol/L)|Cu饱 和 甘 汞 电 极 /V+=0.2520+0.08442-8.314X(10.4+273.15)/(2X96500)Xl n(0.016/1 ) =0

10、.3869 V3根据有关公式计算Zn-Cu和浓差电池的理论电动势E理，并与实验值进行比较，计算误差率。右左=Cu2 ,Cu Zn2 ,Zn = C 2 C ； 2 ZCu ,Cu Zn ,Zn|"R|氧化+ In 化=0.3869 V- ( -0.6599) +8.314X(10.4+273.15)/(2X96500)XlnZF还原(0.016/0.015 ) =1.04759 V误差=(测量值-计算值)/ 计算值=(1.04779-1.04759 ) /1.04779X100 % =1.91 % 电池 4: CuSQ0.01mol/L)|Cu|CuSO 4(0.1mol/L)|Cu

11、理论电动势 E 理 2=E 标准-巴“化=-8.314X(10.4+273.15)/(2X96500)XlnZF还原(0.004/0.016 ) =0.01693V误差=(测量值-计算值)/ 计算值=(0.01944-0.01693 ) /0.01693X100 % =14.8 %4文献值：(1).三种电极的电极电势与温度的关系：饱和甘汞电极 /V = 0.2415- 7.61 X 10-4 (t/ C-25)2Cu /V = 0.337+0.8 X 10-4 (t/ C -25)2Zn /V = -0.763+9.1 X 10-4 (t/ C -25)(2).计算时有关电解质的离子平均活度系

12、数丫土(25 C)如下：0.1000mol?kg - 1CuSO4丫 Cu2+=y± =0.160.0100mol?kg- 1CuSO4丫 Cu2+=y± =0.400.1000mol?kg - 1ZnSO4丫 Zn2+=丫± =0.15六、误差分析1 在实验操作过程中，检流计光标很难指向零点，说明测量回路有电流通过， 所以E (测)工E (理)。2. 由于检流计光标较难调节，每组测量时间较长，工作回路中电流会发生变化, 从而影响测量结果。3. 电极未浸洗干净，或者一部分在反应前已被氧化，导致内部会存在微小的电势，抵消一部分电势，从而影响实验结果。七、问题讨论1

13、用测电动势的方法求热力学函数有何优越性?答：电动势测定法比其他方法(例如热量法)更精确，误差更小。2. 盐桥有何作用，如何选用盐桥以适应各种不同的原电池？答：将液接电视降到最小的作用。盐桥的浓度尽量大(一般用饱和溶液)，正负离子迁移数接近，与电池中的电解质不发生反应。3. 在工作电流“标准化”和测量电动势过程中，为什么按键不能长时间按下？答：因为接通电路后就会有电流通过，则电极就会发生极化，电极电势与电 池电动势就会偏离平衡值，而实验需要测定的是平衡电动势，所以不能长时间接 通电路。4. 标准电池有什么用途？答：工作电流标准化。5. 参比电池的选择有何要求？答：电动势稳定，在大电流下也不发生极

14、化。八、实验小结稅in砲池ab,.Vt；/vLfJq . V0Znl ZnSOi(OJ(XMtaiwVL) KCKtfe和)丨 Hpj b(+)1 0516(11 0614S1怖l勺1脯1弓4() Hg |KCKffefU) |lftnol Ld, > | Cu (+0.037830.031640.037590.03769(-)Zn ZirO.lOtnol LT')| Ctr+(0.10mol r1)| Cu(-)1,OS)J62L09410L094W1 0<J402(-)Cu| CirO.OlMol U1) | CiO.lOnid I/1 | Cu (4)0.022660

15、.022650.U22M0.02265六、数据处珅杆虫抽JS璋下.饱和忙汞也從的刚橫哦材为!(PSGE- 0 2415 -7.6 ' 10'4*(T-98=,l(T*"(161S4+273-298)= 02771 V()ViI B 1 U TX J!吸zb" *(&加苗- 卿乞E(1)=(0 24771 1.06154) V=-0.SB«5 VWwwcn厂 M2) * 呼取卜=(0 03769+0.24771) V*-02SSJO VCUODIIiactL L)U>i>-越的= (0 28540-0 02265) VvrnuMi

16、i 0 26275 V 5在实验温度厂 各电极的标准电极电势为:(pCZnaiOmoi-L'1)|Zn)=(p6 (ZnO.lOnioi L'1) (Zn) RT 2F* In 1/Q (Zlf4)则可得:(p9 (Zi/ (0 lOmd J)|Zn)= gZif (00m& J)Zn) + RT/2F* In 1 Q (Zn2 + )=-0.81383 + 8.314*289.84/(2*96500)* In 1/0.1=-0.78508 V<P(CU2(0.1 OmdL 1 )；Cu)=<p6 (Cu2+(0.10mol LT/2F* In 1/a (C

17、u24)则可得：<pe (Cu (O.IOmd L'Scu)* (Cu'O.lOmol l'i)|Qi)+ RT/2F* In 1 /a (Cir+)=0.28540+8.314*289.84/(2*96500)* In 1/0.1= 0.31415 V对于电池4,它是浓差电池，所以两电极的标准电极电势相同g(Cu2+(o.iomoiL Sen)" 0.31415 V在298K下，各电极的标准电极电势为：由(p0 (z/gorndL加犷阴 298+a (T298)+l/20 (T一298)八2 可得：旳 298(Zn2+(0.l0molL'1) JZn)=<p® (Zn2+(0.10mol L !)|Zn) G (T298)1/20 (T-298)A2=-0.78508 - 0.0001*(289.84 - 298)-0.5*0.62* 10A(-6)* (289.84 - 298) A2 =-0.7843 V00 298(Cu2+(0.10tnol-L'1)|Cu)=(p9 (Cu2*(0.10mol L SlCu)G (T298)1/20 (T298