原電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定新.doc

實(shí)驗(yàn)七 原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定及其應(yīng)用【目的要求】 1.掌握可逆電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量原理和電位差計(jì)的操作技術(shù)。 2.學(xué)會(huì)銅、鋅等電極和鹽橋的制備方法。 3.加深對(duì)原電池、電極電勢(shì)等概念的理解。 【基本原理】 凡是能使化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置都稱之為電池(或原電池)。對(duì)定溫定壓下的可逆電池而言: (rGm)T，P = nFE 式中，F(xiàn)為法拉弟(Farady)常數(shù)，n為電極反應(yīng)式中電子的計(jì)量系數(shù)，E為電池的電動(dòng)勢(shì)?？赡骐姵貞?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(guò)程必須在平衡態(tài)下進(jìn)行，亦即允許通過(guò)電池的電流為無(wú)限小。 因此在制備可逆電池、測(cè)定可逆電池的電動(dòng)勢(shì)時(shí)應(yīng)符合上述條件，在精確度不高的測(cè)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(lái)消除液接電位。用電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)也可滿足通過(guò)電池電流為無(wú)限小的條件。 可逆電池的電動(dòng)勢(shì)可看作正、負(fù)兩個(gè)電極的電勢(shì)之差。設(shè)正極電勢(shì)為，負(fù)極電勢(shì)為，則: E=電極電勢(shì)的絕對(duì)值無(wú)法測(cè)定，手冊(cè)上所列的電極電勢(shì)均為相對(duì)電極電勢(shì)，即以標(biāo)準(zhǔn)氫電極作為標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)氫電極是氫氣壓力為101325Pa，溶液中各物質(zhì)活度為1，其電極電勢(shì)規(guī)定為零。將標(biāo)準(zhǔn)氫電極與待測(cè)電極組成一電池，所測(cè)電池電動(dòng)勢(shì)就是待測(cè)電極的電極電勢(shì)。由于氫電極使用不便，常用另外一些易制備、電極電勢(shì)穩(wěn)定的電極作為參比電極。常用的參比電極有甘汞電極、銀-氯化銀電極等。這些電極與標(biāo)準(zhǔn)氫電極比較而得的電勢(shì)已精確測(cè)出。 下面以銅鋅電池為例：對(duì)銅電極可設(shè)計(jì)電池如下: Zn(S)ZnSO4(a1)CuSO4(a2)Cu(S)正極（銅電極）的反應(yīng)為: Cu + 2e Cu 負(fù)極（鋅電極）的反應(yīng)為: Zn Zn + 2e電池反應(yīng)： Cu + Zn Zn + Cu相應(yīng)的電極電勢(shì)分別為：Cu/Cu =0Cu/Cu - （RT/2F）ln（aCu / aCu）Zn/Zn =0Zn/Zn -（RT/2F）ln（aZn / aZn）所以，銅鋅電池的電動(dòng)勢(shì)為E =Cu/Cu -Zn/Zn = 0Cu/Cu -0Zn/Zn -（RT/2F）ln（aCu aZn）/（aCuaZn）= E0 -（RT/2F）ln（aCu aZn）/（aCuaZn）純固體的活度為1，所以，上式變?yōu)?E = E0 -（RT/2F）ln（aZn）/（aCu） 電池電動(dòng)勢(shì)不能用伏特計(jì)來(lái)直接測(cè)量，因?yàn)楫?dāng)把伏特計(jì)與電池接通后，由于電池的放電，不斷發(fā)生化學(xué)變化，電池中溶液的濃度將不斷改變，因而電動(dòng)勢(shì)也會(huì)發(fā)生變化。另一方面，電池本身存在內(nèi)電阻，所以伏特計(jì)所量出的只是兩極上的電勢(shì)降，而不是電池的電動(dòng)勢(shì)。只有在沒有電流通過(guò)時(shí)的電勢(shì)降才是電池的真正的電動(dòng)勢(shì)。電勢(shì)差計(jì)是可以利用對(duì)消法原理進(jìn)行電勢(shì)差測(cè)量的儀器。即能在電池?zé)o電流（或極小電流）通過(guò)時(shí)測(cè)得其兩極的電勢(shì)差。這時(shí)的電勢(shì)差是電池的電動(dòng)勢(shì)?！緝x器和試劑】 1.儀器 ： 電位差計(jì)（1臺(tái)） 銅電極（1只）鋅電極（1只）直流復(fù)射式檢流計(jì)（1臺(tái)）滑線電阻（1只） 毫安表（1只）精密穩(wěn)壓電源(或蓄電池)1臺(tái) 鹽橋（數(shù)只）飽和甘汞電極（1只）2.藥品 ： 0.1MCuSO4 6M稀HNO3 KCl飽和溶液鍍銅溶液0.1MZnSO4 3M稀H2SO4 Hg2(NO3)2飽和溶液 純汞【實(shí)驗(yàn)步驟】 1）、電極的制備鋅電極的制備 將鋅電極在 3M 稀硫酸溶液中浸泡片刻，取出洗凈，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0.1M ZnSO4中待用。銅電極的制備將銅電極在 6M 稀硝酸中浸泡片刻，取出洗凈，作為負(fù)極，以另一銅板作正極在鍍銅液中電鍍(鍍銅液組成為:每升中含125gCuSO45H2O，25gH2SO4，50mL乙醇)。線路見圖。控制電流為20mA，電鍍20min得表面呈紅色的Cu電極，洗凈后放入0.1000molkg-1CuSO4中備用。2）、鹽橋制備（教師已制備好） 3）、電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定 按有關(guān)電位差計(jì)附錄，接好測(cè)量電路 計(jì)算室溫下的標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì) 標(biāo)定電位差計(jì)的工作電流。 分別測(cè)定下列三個(gè)原電池的電動(dòng)勢(shì)。 A、Zn(S)ZnSO4(0.1000M)KCl（飽和）| Hg2Cl2(S)- Hg(l)B、Hg(l)-Hg2Cl2(S)KCl（飽和）CuSO4(0.1000M)Cu(S) C、Zn(S)ZnSO4(0.1000M)CuSO4(0.1000M)Cu(S) 測(cè)量時(shí)應(yīng)在夾套中通入25恒溫水。為了保證所測(cè)電池電動(dòng)勢(shì)的正確，必須嚴(yán)格遵守電位差計(jì)的正確使用方法。當(dāng)數(shù)值穩(wěn)定在0.1mV之內(nèi)時(shí)即可認(rèn)為電池已達(dá)到平衡。 【數(shù)據(jù)記錄與處理】 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄室溫： 大氣壓力：pa ZnSO4溶液; CuSO4溶液1、 記錄上列三組電池的電動(dòng)勢(shì)測(cè)定值2、計(jì)算時(shí)遇到電極電位公式(式中t為)如下:(飽和甘汞)=0.24380-6.510-4(t-25)3、.計(jì)算時(shí)有關(guān)電解質(zhì)的離子平均活度系數(shù)(25)如下:0.1000MCuSO4 Cu=0.16 0.1000MZnSO4 Zn=0.15 4、由測(cè)得的三個(gè)原電池的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行以下計(jì)算: (1)由原電池A獲得Zn/Zn和Zn/Zn(2)由原電池B獲得Cu/Cu和0Cu/Cu(3)將原電池C測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)同A與B得到的電極電動(dòng)勢(shì)計(jì)算該電池的電動(dòng)勢(shì)。兩者進(jìn)行比較。 【思考與討論】1.參比電極應(yīng)具備什么條件?它有什么功用? 2.若電池的極性接反了有什么后果? 3.鹽橋有什么作用?選用作鹽橋的物質(zhì)應(yīng)有什么原則? 【注意事項(xiàng)】1、 制備電極時(shí)，防止將正負(fù)極接錯(cuò)，并嚴(yán)格控制電鍍電流。 2、 在測(cè)定時(shí)要避免檢流計(jì)猛打一邊的情況出現(xiàn)。3、 當(dāng)檢流計(jì)總向一邊偏移時(shí)，檢查是否正負(fù)極接反。4、 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)整儀器時(shí)要求操作輕。原始數(shù)據(jù)記錄 姓名 班級(jí)室溫 氣壓 0.1000mol/LCuSO4 Cu=0.16 0.1000mol/LZnSO4 Zn=0.15 實(shí)驗(yàn)次數(shù)電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)得值123平均值Zn- Hg2Cl2/HgHg2Cl2/Hg- CuCu- Zn【對(duì)消法（補(bǔ)償法）測(cè)電池電動(dòng)勢(shì)原理】可逆電池必須滿足條件之一是通過(guò)電池電流為無(wú)限小，在電池內(nèi)阻上要產(chǎn)生電位降，從而使得兩極間的電位差較電池電動(dòng)勢(shì)為小。因此，只有在沒有電流通過(guò)電池時(shí)兩電極的電位差才與電池電動(dòng)勢(shì)相等。所以不能直接用伏特計(jì)來(lái)測(cè)量一個(gè)可逆電池的電動(dòng)勢(shì)，就是因?yàn)槭褂梅赜?jì)時(shí)必然有限的電流通過(guò)回路才能驅(qū)動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)所的結(jié)果必然不是可逆電池電動(dòng)勢(shì)，而是不可逆電池兩極間的電位差。一般用對(duì)消法測(cè)可逆電池的電動(dòng)勢(shì)，常用的儀器為電位差計(jì)，電位差計(jì)是按對(duì)消法測(cè)量原理而設(shè)計(jì)的一種平衡式電壓測(cè)量?jī)x器，它與標(biāo)準(zhǔn)電池、檢流計(jì)等相配合，成為電壓測(cè)量的基本儀器。右圖是對(duì)消法測(cè)量原理示意圖，其中Ew是工作電池；Rp是電位差計(jì)上均勻的滑線電阻；En是標(biāo)準(zhǔn)電池；Ex是待測(cè)電池；G是檢流計(jì)；K是轉(zhuǎn)換開關(guān)。由右圖可知，一臺(tái)較完善的電位差計(jì)基本上由三個(gè)回路（工作電流回路、標(biāo)準(zhǔn)電流回路和測(cè)量回路）組成。（1）、工作電流回路， 也叫電源回路，從工作電池正極開始經(jīng)工作電流調(diào)節(jié)電阻Rp，再經(jīng)滑線電阻Rx及電阻Rn，回到工作電池負(fù)極，它的作用是借助于調(diào)節(jié)Rp使在Rn及Rx上產(chǎn)生一定的電位降。（2）、標(biāo)準(zhǔn)回路：是校準(zhǔn)工作電流的回路。從標(biāo)準(zhǔn)電流的正極開始（當(dāng)開關(guān)（1）與檢流計(jì)接通時(shí)）經(jīng)檢流計(jì)，再經(jīng)Rn，回到標(biāo)準(zhǔn)電池負(fù)極，它的作用是校準(zhǔn)工作電流以標(biāo)定Rx上的電位降。借助于調(diào)節(jié)Rp。使檢流計(jì)中G電流為零Ig=0，此時(shí)，I*Rn=En，Rn上的電位降與標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)En相對(duì)消，大小相等而方向相反。工作電流I=En/Rn。（3）、測(cè)量回路：從待測(cè)電池的正極開始（當(dāng)開關(guān)（2）與檢流計(jì)接通時(shí)），經(jīng)滑線電阻Rx檢流計(jì)，回到待測(cè)電池負(fù)極，它的作用是用定好的Rx的電位降來(lái)測(cè)量為知電池的電動(dòng)勢(shì)，再保持校準(zhǔn)后的工作電流I不變（即Rp固定）的條件下，在Rx上尋找Rx點(diǎn)，使檢流計(jì)G中的電流為零。Ig=0，從而I*Rx=Ex，使Rx上電位降與待測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)Ex相對(duì)消，大小相等而相反。由此可見，因工作電流相同，則：由于Rx的電位降事先已標(biāo)定，有時(shí)可直接從Rx對(duì)應(yīng)的刻度盤上讀出Rx的產(chǎn)生的電位降，即待測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)Ex，這種測(cè)量方法又稱補(bǔ)償法。應(yīng)用對(duì)消法測(cè)量電動(dòng)勢(shì)有下列優(yōu)點(diǎn)（1）在兩次平衡中指零儀都指零，沒有電流通過(guò)它，也就是說(shuō)，電位差計(jì)既不從標(biāo)準(zhǔn)電池中吸取能量，也不從被測(cè)電池中吸取能量。這表明標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)En的測(cè)量中僅作為電動(dòng)勢(shì)的