實驗一 原電池電動勢的測定.doc

實驗一 原電池電動勢的測定及應(yīng)用一、實驗?zāi)康?測定Cu-Zn電池的電動勢和Cu、Zn電極的電極電勢。2學(xué)會幾種電極的制備和處理方法。3掌握SDC-數(shù)字電位差計的測量原理和正確的使用方法。二、實驗原理原電池由正、負兩極和電解質(zhì)組成。電池在放電過程中，正極起還原反應(yīng)，負極起氧化反應(yīng)，電池內(nèi)部還可以發(fā)生其它反應(yīng)，電池反應(yīng)是電池中所有反應(yīng)的總和。電池除可用來提供電能外，還可用它來研究構(gòu)成此電池的化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)。從化學(xué)熱力學(xué)知道，在恒溫、恒壓、可逆條件下，電池反應(yīng)有以下關(guān)系： （9-1）式中是電池反應(yīng)的吉布斯自由能增量；n為電極反應(yīng)中得失電子的數(shù)目；F為法拉第常數(shù)（其數(shù)值為96500）；E為電池的電動勢。所以測出該電池的電動勢E后，進而又可求出其它熱力學(xué)函數(shù)。但必須注意，測定電池電動勢時，首先要求電池反應(yīng)本身是可逆的，可逆電池應(yīng)滿足如下條件：(1)電池反應(yīng)可逆，亦即電池電極反應(yīng)可逆；(2)電池中不允許存在任何不可逆的液接界；(3)電池必須在可逆的情況下工作，即充放電過程必須在平衡態(tài)下進行，亦即允許通過電池的電流為無限小。因此在制備可逆電池、測定可逆電池的電動勢時應(yīng)符合上述條件，在精確度不高的測量中，常用正負離子遷移數(shù)比較接近的鹽類構(gòu)成“鹽橋”來消除液接電位。在進行電池電動勢測量時，為了使電池反應(yīng)在接近熱力學(xué)可逆條件下進行，采用電位計測量。原電池電動勢主要是兩個電極的電極電勢的代數(shù)和，如能測定出兩個電極的電勢，就可計算得到由它們組成的電池的電動勢。由（9-1）式可推導(dǎo)出電池的電動勢以及電極電勢的表達式。下面以銅-鋅電池為例進行分析。電池表示式為：符號“”代表固相（Zn或Cu）和液相（或）兩相界面；“”代表連通兩個液相的“鹽橋”；和分別為和的質(zhì)量摩爾濃度。當(dāng)電池放電時，負極起氧化反應(yīng)： 正極起還原反應(yīng)： 電池總反應(yīng)為： 電池反應(yīng)的吉布斯自由能變化值為： （9-2）上述式中為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時自由能的變化值；為物質(zhì)的活度，純固體物質(zhì)的活度等于1，即。而在標(biāo)態(tài)時，則有： （9-3）式中為電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢。由（9-1）至（9-1）式可得： （9-4）對于任一電池，其電動勢等于兩個電極電勢之差值，其計算式為： （9-5）對銅-鋅電池而言 （9-6） （9-7）式中和是當(dāng)時，銅電極和鋅電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢。對于單個離子，其活度是無法測定的，但強電解質(zhì)的活度與物質(zhì)的平均質(zhì)量摩爾濃度和平均活度系數(shù)之間有以下關(guān)系： （9-8） （9-9）是離子的平均離子活度系數(shù)，其數(shù)值大小與物質(zhì)濃度、離子的種類、實驗溫度等因數(shù)有關(guān)。在電化學(xué)中，電極電勢的絕對值至今無法測定，在實際測量中是以某一電極的電極電勢作為零標(biāo)準(zhǔn)，然后將其它的電極（被研究電極）與它組成電池，測量其間的電動勢，則該電動勢即為該被測電極的電極電勢。被測電極在電池中的正、負極性，可由它與零標(biāo)準(zhǔn)電極兩者的還原電勢比較而確定。通常將氫電極在氫氣壓力為101325Pa，溶液中氫離子活度為1時的電極電勢規(guī)定為零伏，即，稱為標(biāo)準(zhǔn)氫電極，然后與其它被測電極進行比較。由于氫電極使用不便，常用另外一些易制備、電極電勢穩(wěn)定的電極作為參比電極，常用的參比電極有甘汞電極。以上所討論的電池是在電池總反應(yīng)中發(fā)生了化學(xué)變化，因而被稱為化學(xué)電池。還有一類電池叫做濃差電池，這種電池在凈作用過程中，僅僅是一種物質(zhì)從高濃度（或高壓力）狀態(tài)向低濃度（或低壓力）狀態(tài)轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電動勢，而這種電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢等于零伏。例如電池就是濃差電池的一種。電池電動勢的測量工作必須在電池可逆條件下進行，必須指出，電極電勢的大小，不僅與電極種類、溶液濃度有關(guān)，而且與溫度有關(guān)。本實驗是在實驗溫度下測得的電極電勢，由（9-6）式和（9-7）式可計算。為了比較方便起見，可采用下式求出298K時的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢。式中、為電極電勢的溫度系數(shù)。對于Cu-Zn電池來說：銅電極鋅電極三、儀器和試劑電位差計（UJ-25） 1臺檢流 檢流計（AC-15/4） 1臺標(biāo)準(zhǔn)電池 1只 飽和甘汞電極 1只銅、鋅電極各1支飽和KCl 100ml 硫酸鋅（0.1M）100ml 硫酸鋅（0.01M） 100ml 硫酸銅（0.1M）100ml 硫酸銅（0.01M） 100ml 四、實驗步驟1電池組合將飽和KCl溶液注入50mL的小燒杯內(nèi)，制鹽橋，再將鋅電極和銅電極置于小燒杯內(nèi)，即成Cu-Zn電池：圖9-1 Cu-Zn電池裝置示意圖電池裝置如圖9-1所示。同法組成下列電池： 3電動勢的測定(1)按照電位差計電路圖，接好電動勢測量線路。(2)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電池的溫度系數(shù)，計算實驗溫度下的標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢。以此對電位差計進行標(biāo)定。(3)分別測定以上電池的電動勢。五、數(shù)據(jù)記錄及處理電池電動勢（V）平均值（V）1231.05491.05501.05501.05500.05120.05110.05120.05121.10441.10441.10441.10440.01880.01860.01860.01871、飽和甘汞電極的電勢T=20.5=293.5K =0.2449V2、根據(jù)，電動勢E=1.0550V3、根據(jù)，電動勢E=0.0512V4、Zn-Cu電池的理論電動勢E實=1.1044V附錄 SDC-數(shù)字電位差計一、SDC-數(shù)字電位差計的特點一體設(shè)計：將UJ系列電位差計、光電檢流計、標(biāo)準(zhǔn)電池等集成一體，體積小，重量輕，便于攜帶。數(shù)字顯示：電位差值七位顯示，數(shù)值直觀清晰、準(zhǔn)確可靠。內(nèi)外基準(zhǔn)：即可使用內(nèi)部基準(zhǔn)進行測量，又可外接標(biāo)準(zhǔn)作基準(zhǔn)進行測量，使用方便靈活。誤差較小：保留電位差計測量功能，真實體現(xiàn)電位差計對檢測誤差微小的優(yōu)勢。性能可靠：電路采用對稱漂移抵消原理，克服了元器件的溫漂和時漂，提高測量的準(zhǔn)確度。二、使用條件電源：220V10%；50Hz環(huán)境：溫度-1040；濕度85%三、使用方法1開機用電源線將儀表后面板的電源插座與220V電源連接，打開電源開關(guān)（ON），預(yù)熱15分鐘。2以內(nèi)標(biāo)或外標(biāo)為基準(zhǔn)進行測量(1)將被測電動勢按“+、-”極性與測量端子對應(yīng)連接好。(2)采用“內(nèi)標(biāo)”校驗時，將“測量選擇”至于“內(nèi)標(biāo)”位置，將100位旋置于1，其余旋鈕和補償旋鈕逆時針旋到底，此時“電位指標(biāo)”顯示為“1.00000V”，待檢零指示數(shù)值穩(wěn)定后，按下“采零”鍵，此時，檢零指示應(yīng)顯示“0000”。(3)采用“外標(biāo)”校驗時，將外標(biāo)電池的“+、-”極性按極性與“外標(biāo)”端子接好，將“測量選擇”置于“外標(biāo)”，調(diào)節(jié)“10010-4”和補償電位器，使“電位指示”數(shù)值與外標(biāo)電池數(shù)值相同，待“檢零指示”數(shù)值穩(wěn)定之后，按下“采零”鍵，此時“檢零指示”為“0000”。(4)儀器用“內(nèi)標(biāo)”或“外標(biāo)”，校驗完畢后將被測電動勢按“+、-”極性與“測量”端子接好，將“測量選擇”置于“測量”，將“補償”電位器逆時針旋到底，調(diào)節(jié)“10010-4”五個旋鈕，使“檢零指示”為“-”，且絕對值最小時，再調(diào)節(jié)補償電位器，使“檢零指示”為“0000”，此時，“電位指示”數(shù)值即為被測電動勢的大小。3關(guān)機：首先關(guān)閉電源開關(guān)（OFF）