實驗九原電池電動勢的測定及應(yīng)用

1、實驗九 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、實驗原理電池由正、負(fù)兩極組成。電池在放電過程中，正極起還原反應(yīng)，負(fù)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

2、以測出該電池的電動勢E后，進(jìn)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(jìn)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(fù)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(jìn)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(jìn)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

3、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(dá)式。下面以銅-鋅電池為例進(jìn)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(fù)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

4、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(qiáng)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(fù)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1013

5、25Pa，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(jìn)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(jìn)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

6、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SDC-電位差計1臺；鍍銅溶液；電鍍裝置1套；飽和硝酸亞汞（控制使用）；標(biāo)準(zhǔn)電池1個；硫酸鋅（分析純）；飽和甘汞電極1支；銅、鋅電極；電極管2支；硫酸銅（分析純）；電極架2個；氯化鉀（分析純）。四、實驗步驟1電極的制備(1)鋅電極：將鋅電極在稀硫酸溶液中浸泡片刻，取出洗凈，再浸入汞或飽和硝酸亞汞溶液中約10s，表面上即生成一層光亮的汞齊，用水沖洗晾干后，插入0.1000中待用。(2)銅電極：將銅電極在6的硝酸

7、溶液中浸泡片刻，取出洗凈，將銅電極置于電鍍燒杯中作為陰極，另取一個經(jīng)清潔處理的銅棒作陽極，進(jìn)行電鍍，電流密度控制在20為宜。其電鍍裝置如圖9-1所示。電鍍半小時，使銅電極表面有一層均勻的新鮮銅，洗凈后放入0.1000中備用。2電池組合將飽和KCl溶液注入50mL的小燒杯內(nèi)，制鹽橋，再將上面制備的鋅電極和銅電極圖9-2 Cu-Zn電池裝置示意圖圖9-1 制備銅電極的電鍍裝置0-50mA可變電阻銅電極銅棒置于小燒杯內(nèi)，即成Cu-Zn電池：電池裝置如圖9-2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

8、。以此對電位差計進(jìn)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1.將試驗數(shù)據(jù)列表。標(biāo)準(zhǔn)溶液NaoH濃度為0.102mol/L V NaoH(mL)V HAc(mL) C HAc(mol/L)C HAc(mol/L)平均20.39 5.00 0.4160 0.4305 21.90 5.02 0.4450瓶號活性炭重（g）起始濃度(mol/L)平衡濃度(mol/L)吸附量（mol/kg）11.05910.215250.194311.977150.3841821.03230.129150.107272.119540.2273631.04390.08610.0664021.886960.

9、1253041.00770.043050.0296141.333330.0394951.03330.0215250.012920.832770.010762.計算各瓶中醋酸的起始濃度c0，平衡濃度c及吸附量（mol kg1）。 計算結(jié)果如上表。由計算吸附量。3吸附量對平衡濃度作等溫線。4.作c/-c圖，并求出和常數(shù)K。由直線斜率得:=0.05168mol/kg由直線截距得：K=-47.295.由計算活性炭的比表面。 =756.006 結(jié)果與討論1.比表面測定與哪些因素有關(guān)，為什么？a. 測定固體比表面時所用溶液中溶質(zhì)的濃度要選擇適當(dāng)，即初始溶液的濃度以及吸附平衡后的濃度都選擇在合適的范圍內(nèi)。既

10、要防止初始濃度過高導(dǎo)致出現(xiàn)多分子層吸附，又要避免平衡后的濃度過低使吸附達(dá)不到飽和。如次甲基藍(lán)在活性炭上的吸附實驗中原始溶液的濃度為2gdm-3左右，平衡溶液的濃度不小于1mgdm-3。b. 按朗格謬爾吸附等溫線的要求，溶液吸附必須在等溫條件下進(jìn)行，使盛有樣品的三角瓶置于恒溫器中振蕩，使之達(dá)到平衡。本實驗是在空氣浴中將盛有樣品的三角瓶置于振蕩器上振蕩。實驗過程中溫度會有變化，這樣會影響測定結(jié)果。2.由于實驗酸堿滴定過程中，滴定的體積存在一定的偏差，所以導(dǎo)致實驗結(jié)果1和3瓶所測得結(jié)果存在偏差，故在酸堿滴定中需要操作規(guī)范，使實驗結(jié)果更精準(zhǔn).六、注意事項1制備電極時，防止將正負(fù)極接錯，并嚴(yán)格控制電鍍電

11、流。2甘汞電極使用時請將電極帽取下，用完后用氯化鉀溶液浸泡。七、思考題1電位差計、標(biāo)準(zhǔn)電池各有什么作用?如何保護(hù)及正確使用?2參比電極應(yīng)具備什么條件?它有什么功用?3若電池的極性接反了有什么后果?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(jìn)行測量，又可外接標(biāo)準(zhǔn)作基準(zhǔn)進(jìn)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

12、，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(jī)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(jìn)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償電位器，使“檢零指示