電極制備和原電池電動勢測定

1、課 時 教 學 實 施 方 案課程：物理化學實驗 授課班級：12級化工1-3班 授課學期：2014-2015 學年1學期課 題電極制備和原電池電動勢測定計劃學時5教 學 目 的1、理解對消法測定電動勢的原理；2、掌握SDC-數(shù)字電位差綜合測試儀及UJ-25型電位差計、檢流計、標準電池的使用方法；3、測定丹尼爾電池電動勢，銅、鋅電極的電極電勢。 重 點測定丹尼爾電池電動勢，銅、鋅電極的電極的準備難 點能斯特方程求電動勢、電極電勢教具準備SDC-數(shù)字電位差綜合測試儀5套、銅、鋅電極和飽和甘汞電極各5個、鹽橋5個、UJ-25型電位差計、工作電源、檢流計、標準電池兩套、導線飽和的KCl溶液、6 M的H

2、NO3溶液、3 M稀硫酸、0.1 M的CuSO4溶液、0.1 M的ZnSO4溶液、鍍銅液、5個蒸餾水瓶、10個100mL小燒杯（每桌兩個）、砂紙、濾紙、盛有廢紙的燒杯、4個廣口瓶回收廢溶液電鍍裝置一套：工作電源、滑動變阻器、開關、銅片、導線、安培表、方形槽教 學 后 記教 學 進 程 設 計（包括教學要點、步驟、方法、時間安排及板書設計、作業(yè)布置等）一、講解實驗原理-內(nèi)消法測定原理 20分鐘二、講解SDC-數(shù)字電位差綜合測試儀和UJ-25型電位差計的使用方法 40分鐘三、銅、鋅、飽和甘汞電極的準備 30分鐘四、電鍍裝置的使用 20分鐘五、 指導學生實驗以及實驗過程中的注意事項 30分鐘六、指導

3、學生進行實驗。 150分鐘作業(yè)布置：撰寫實驗報告?zhèn)渥⒔?案實驗一：原電池電動勢的測定及應用一、實驗目的1、通過電動勢的測定，了解對消法測電動勢的基本原理、儀器構造和使用方法。2、掌握SDC-數(shù)字電位差綜合測試儀及UJ-25型電位差計、檢流計、標準電池的使用方法；3、測定丹尼爾電池電動勢，銅、鋅電極的電極電勢二、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，正極上發(fā)生還原反應，負極上則發(fā)生氧化反應，電池反應是電池中所有反應的總和。電池除了可用作電源外，還可以用來研究構成此電池的化學反應的熱力學性質(zhì)，從化學熱力學得知，在恒溫、恒壓、可逆條件下，電池反應有以下關系： (式1-1)式中是電

4、池反應的吉布斯自由能增量；n為電極反應中電子得失數(shù)；F為法拉第常數(shù)；E為電池的電動勢。從式中可知，測得電池的電動勢E后，便可求得，進而又可求得其他熱力學參數(shù)。但需注意，首先要求被測電池反應本身是可逆的，即要求電池的電極反應是可逆的，并且不存在不可逆的液接界。同時要求電池必須在可逆情況下工作，即放電和充電過程都必須在準平衡狀態(tài)下進行，此時只允許有無限小的電流通過電池。因此，在用電化學方法研究化學反應的熱力學性質(zhì)時，所涉及的電池應盡量避免出現(xiàn)液接界，在精確度要求不高的測量中，常用“鹽橋”來減小液接界電勢。為了使電池反應在接近熱力學可逆條件下進行，一般采用電位差計測量電池的電動勢。1、對消法(補償法

5、)測電池電動勢可逆電池必須滿足的條件之一是通過的電流為無限小。當有限電流通過教 案時，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勢為小。因此，只有在沒有電流通過電池時兩電極間的電位差才與電池電動勢相等。之所以不能直接用伏特計來測量一個可逆電池的電動勢，就是因為使用伏特計時必須使有限的電流通過回路才能驅(qū)動指針旋轉(zhuǎn)，所得結果必然不是可逆電池的電動勢，而只是不可逆電池兩極間的電位差。圖1-1 對消法測量原理示意圖 一般采用對消法測可逆電池的電動勢，常用的儀器為電位差計。電位差計是按照對消法測量原理而設計的一種平衡式電壓測量儀器。它與標準電池、檢流計等相配合，成為電壓測量的基本儀器。圖

6、1-1是對消法測量原理示意圖,其中Ew是工作電池，Rp是可變電阻，AC是均勻的滑線電阻，Es是標準電池，Ex是待測電池，G是檢流計，K是換向開關。工作電流回路，也叫電源回路。從工作電池正極開始，經(jīng)滑線電阻AC，再經(jīng)工作電流調(diào)節(jié)電阻Rp，回到工作電池負極。它的作用是借助于調(diào)節(jié)Rp使在AB上產(chǎn)生一定的電位降。標準回路，也叫校準回路，是校準工作電流回路。從標準電池的正極開始(當換向開關K扳向Es一方時)，經(jīng)滑線電阻上AB段，再經(jīng)檢流計G，回到標準電池負極。它的作用是用標準工作電流回路以標定AB上的電位降。借助于調(diào)節(jié)Rp，使G中無電流通過，此時AB段上的電位降與標準電池電動勢相對消，大小相等而方向相反

7、。測量回路。從待測電池的正極開始(當換向開關K扳向Ex一方時)，經(jīng)滑線電阻上AB¢段，再經(jīng)檢流計G，回到待測電他負極。它的作用是用標定好了的滑線電阻AC上的電位降來測量未知電池的電動勢。在保持校準后的工作教 案電流I不變(即固定Rp)的條件下，在AC上尋找出B¢點，使得G中電流為零，即IG0，此時在滑線電阻AB¢段上的電位降與待測電池的電動勢Ex相對消，大小相等而方向相反。2、原電池電動勢主要是兩個電極的電極電勢的代數(shù)和，如能分別測定出兩個電極的電勢，就可以計算得到由他們組成的電池電動勢。下面以鋅-銅電池為例進行分析。銅鋅電池表達式：Zn(s)ZnSO4(a1)C

8、uSO4(a2)Cu(s) 負極反應： Zn(s) Zn(a1) + 2e + 正極反應： Cu (a2) + 2e Cu(s) 電池反應： Zn +Cu(a2)Zn(a1) +Cu根據(jù)能斯特公式，鋅電極和銅電極的電極電勢分別為： (式1-2) (式1-3) 電極電勢的大小與電極性質(zhì)、溶液中有關離子的活度及溫度有關。在電化學中電極電勢的數(shù)值是相對值，通常將標準氫電極（p=100kPa，aH+=1）的電極電勢定為零，將它作為負極與待測電極組成一原電池，此電池的電動勢即為該待測電極的電極電勢。由于使用氫電極較麻煩，故常用其他可逆電極作為比較電極，常用的比較電極有甘汞電極，氯化銀電極等。對于298K

9、時各電極的標準電極電勢可以在物理化學手冊中查到。本實驗是在實驗溫度下測得的電極電勢。由(1-2)、(1-3)兩式計算。為方便可采用下式求出298K時的標準電極電勢：教 案 (式1-4)式中，、為電池電極的溫度系數(shù)。對Zn-Cu電池來說：銅電極(Cu2+/Cu)，=-0.000016VK-1，=0鋅電極(Zn2+/Zn)，=0.0001VK-1，=0.62×10-6 VK-2三、儀器和試劑1、儀器：SDC-數(shù)字電位差綜合測試儀5套銅、鋅電極和飽和甘汞電極各5個、鹽橋5個UJ-25型電位差計、穩(wěn)壓電源、檢流計、標準電池兩套、導線若干電鍍裝置：工作電源、滑動變阻器、開關、銅片、導線、安培表

10、、方形槽5個蒸餾水瓶、10個100mL小燒杯（每桌兩個）砂紙、濾紙、盛有廢紙的燒杯、4個廣口瓶回收廢溶液2、試劑：飽和的KCl溶液、鍍銅液6 M的HNO3溶液、3 M稀硫酸0.1 M的CuSO4溶液、0.1 M的ZnSO4溶液、四、實驗步驟1、前期準備工作1）鹽橋的制備將約100mL蒸餾水中加入約3g左右瓊脂，加熱至瓊脂完全溶解，加入30g左右的KCl充分攪拌至完全溶解，趁熱裝入“U”形管中，不要夾帶氣泡或留有斷層，靜置待瓊脂凝結后即可使用，不用時將其放入飽和KCl溶液中存放。2）常規(guī)溶液的配制0.1 M的CuSO4溶液500mL：12.5g CuSO45H2O+500mL蒸餾水0.1 M的Z

11、nSO4溶液500mL：8.05g ZnSO4+500mL蒸餾水6 M的HNO3溶液500mL：187.5mL HNO3+500mL蒸餾水3 M稀硫酸500mL：83.3mL H2SO4+500mL蒸餾水穩(wěn)壓電源是能為負載提供穩(wěn)定之久電源的電子裝置，其作用是將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?.2V），要求其為整個電路提供電源，其值不應小于標準電池或待測電池的值。教 案3）鍍銅液的制備100mL蒸餾水+15g CuSO45H2O+5g H2SO4+5g無水乙醇2、電極的制備1）鋅電極的制備用砂紙將鋅電極打磨2cm，將其浸在3 M稀硫酸中浸洗幾秒鐘洗凈鋅表面的氧化物（冒泡即可），用大量的自來水沖洗，然后用蒸

12、餾水淋洗，用濾紙吸干，放在盛有0.1 M的ZnSO4溶液中待測。將鋅電極進行汞齊化處理的目的是因為鋅棒中不可避免地會含有其他金屬雜質(zhì)，在溶液中本身會成為微電池，鋅電極電勢較低（-0.7627V），在溶液中，氫離子會在鋅的雜質(zhì)（金屬）上放電，且鋅是較活潑的金屬，易被氧化，影響實驗準確性，進行汞齊化時為了消除金屬表面機械應力和表面副反應的影響，以獲得重現(xiàn)性好的電極電勢。鋅汞齊化，成為Zn(Hg)，能使鋅溶解于汞中，并處于飽和狀態(tài)，此時鋅在汞齊中和純態(tài)的化學勢相等，活度仍為1，氫在汞上的超電勢較大，在該實驗條件下，不會釋放出氫氣。鋅汞齊電極的電極電勢和鋅電極的電極電勢相等。在制備鋅汞齊電極時，首先用

13、稀硫酸溶液洗凈鋅表面的氧化物，再用蒸餾水淋洗，然后浸入汞或飽和硝酸亞汞溶液中約35s，取出后用濾紙擦拭鋅電極，使鋅電極表面有一層均勻光亮的鋅汞齊（汞有毒！用過的濾紙應投入指定的有蓋的廣口瓶中，瓶中應有水淹沒濾紙，不要隨便亂丟），用蒸餾水沖洗干凈并用濾紙吸干表面的水份。注：小燒杯中溶液的量不可過多，沒過電極1.5cm即可，否則打磨過的電極與未打磨過的電極同時插入溶液中，本身產(chǎn)生微弱電勢，影響實驗結果的準確性。2）銅電極的制備Cu電極用細砂紙磨光4cm左右在HNO3(6mol·L-1)浸洗片刻，除去氧化物自來水沖洗蒸餾水淋洗接電池負極電鍍(i=2025mA×cm-2，2030m

14、in) ，使表面形成一層新鮮的鍍層蒸餾水淋洗用濾紙吸干，置于0.1 M的CuSO4溶液中待測。線路見圖1-2 鍍銅裝置。教 案注：由于銅表面極易氧化，故需在測量前進行電鍍，電鍍前，銅電極表面要求平整光潔，電鍍時電流密度不宜過大，電流密度過大，會使得鍍層質(zhì)量下降，電鍍不均勻，電流密度小，時間過長。（5組調(diào)節(jié)電流為0.4A）3、電池電動勢的測定1）測定電池A. Zn(s)|ZnSO4(0.1000mol×kg-1)|CuSO4(0.1000mol×kg-1)|Cu(s) B. Zn(s)|ZnSO4(0.1000mol×kg-1)|甘汞電極 (KCl(飽和)/Hg2C

15、l2/Hg)C. 甘汞電極|CuSO4(0.1000mol×kg-1)|Cu(s)2）SDC-數(shù)字電位差綜合測試儀使用方法，其面板圖如圖1-3所示。圖1-3 數(shù)字電位差綜合測試儀面板圖教 案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(ON)，預熱15min再進行下一步操作。以內(nèi)標為基準進行測量A. 校驗a. 將“測量選擇”旋鈕置于“內(nèi)標”b. 將測量線分別插入測量插孔內(nèi)，將“100”為旋鈕置于“1”，“補償”旋鈕逆時針旋到底，其他旋鈕均置于“0”。此時，“電位指標”顯示“1.00000”V，將兩測試線短接。c. 待“檢零指示”顯示數(shù)值穩(wěn)定后，按一下“歸零”鍵，

16、此時，“檢零指示”顯示為“0000”B. 測量a. 將“測量選擇”置于“測量”b. 用測試線將被測電動勢按“+”“-”極性與“測量插孔”連接。c. 調(diào)節(jié)“100-10-4”五個旋鈕，使“檢零指示”顯示數(shù)值為負且絕對值最小d. 調(diào)節(jié)“補償旋鈕”， 使“檢零指示”顯示為“0000”，此時，“電位顯示”數(shù)值即為被測電動勢的值。注：若測量過程中，若“檢零指示”顯示溢出符號“OU.L”，說明“電位指示”顯示的數(shù)值與被測電動勢的值相差過大。 電阻箱10-4檔值若稍有誤差可調(diào)節(jié)“補償”電位器達響應值。 以外標為基準進行測量A. 校驗a. 將“測量選擇”旋鈕置于“外標”b. 按已知電動勢的標準電池按“+”“-

17、”極性與“外標插孔”連接c. 調(diào)節(jié)“100-10-4”五個旋鈕和“補償”旋鈕，使“電位顯示”的數(shù)值與外標電池數(shù)值相同。d. 待“檢零指示”顯示數(shù)值穩(wěn)定后，按一下“歸零”鍵，此時，“檢零指示”顯示為“0000”教 案B. 測量a. 拔出“外標插孔”的測試線，再用測試線將被測電動勢按“+”“-”極性接入“測量插孔”b. 將“測量選擇”置于“測量”c. 調(diào)節(jié)“100-10-4”五個旋鈕，使“檢零指示”顯示數(shù)值為負且絕對值最小d. 調(diào)節(jié)“補償旋鈕”， 使“檢零指示”顯示為“0000”，此時，“電位顯示”數(shù)值即為被測電動勢的值。關機實驗結束后，規(guī)整儀器，關閉電源。3）UJ-25型電位差計，其面板圖如圖1

18、-4所示。圖1-4 UJ-25型電位差計面板圖1電計按鈕(共3個)；2轉(zhuǎn)換開關；3電勢測量旋鈕(共6個)；4工作電流調(diào)節(jié)旋鈕(共4個)； 5標準電池溫度補償旋鈕電位差計使用時都配用靈敏檢流計和標準電池以及工作電源。UJ-25型電位差計測電動勢的范圍其上限為600V，下限為0.000001V，但當測量高于1.911110V以上電壓時，就必須配用分壓箱來提高上限。下面說明測量1.911110V以下電壓的方法：使用前，應將轉(zhuǎn)換開關放在斷的位置，電計按鈕全部松開依次接上工作電源、標準電池、檢流計、被測電池。溫度校正標準電池電動勢。教 案將轉(zhuǎn)換開關置于“N”（標準），按“粗”電計按鈕，旋動“粗”、 “中

19、”、“細”、“微”旋鈕，觀察檢流計光點偏轉(zhuǎn)情況，直至檢流計示零；按“細”電計按鈕，重復上述操作。將轉(zhuǎn)換開關置于X1或X2，從左到右依次調(diào)節(jié)測量盤，先在電計按鈕在“粗”時檢流計示零，按“細”電計按鈕，重復操作。讀取測量盤下方小孔示數(shù)即為所測電動勢的數(shù)值。4、實驗完畢拆除線路和儀器電源，將鹽橋和飽和甘汞電極放回飽和KCl溶液中保存, 其它試劑倒入廢液桶中, 清洗電極和燒杯, 整理儀器及桌面。五、數(shù)據(jù)處理1、室溫記錄：t = 2、記錄上列三組電池的電動勢測定值 時間min電池電動勢2468101214平均值理論值Cu-Zn甘汞-ZnCu-甘汞 3、計算時遇到電極電位公式(式中t為)如下：j (飽和甘

20、汞)/V = 0.24380 - 6.5 ×10-4(t/ - 25) ；4、計算時有關電解質(zhì)的離子平均活度系數(shù)g±(25)如下： 0.1000 mol×kg-1 CuSO4 (Cu) = ± = 0.16 0.1000 mol×kg-1 ZnSO4 (Zn) = ± = 0.15 5、由測得的三個原電池的電動勢進行以下計算: (1)由原電池B獲得和(2)由原電池C獲得和(3)將原電池A測得的電動勢同B與C得到的電極電動勢計算該電池的電動勢。兩者進行比較。(4)將計算結果與文獻值比較。注： 1、在連接線路時，切勿將標準電池、工作電池、

21、待測電池的正負極接反。2、測量過程中，若檢流計受到?jīng)_擊，立即按短路，以保護檢流計。3、由于工作電池的電動勢發(fā)生變化，測量過程中要經(jīng)常標定電位差計。4、測量時，電計按鈕按下的時間應盡量短，防止電流通過，改變電極平衡狀態(tài)。5、注意保護標準電池，不可橫放、倒置及搖動，正負二極導線，不可相碰，以免短路，使用時只能通過電鍵短暫的接通并迅速的找到平衡點。6、測量前，應大概計算一下待測電池的理論電動勢，盡量減少測量時間7、為防止飽和甘汞電極電極電勢數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，實驗前應將甘汞電極浸泡在飽和KCl溶液中，建立平衡。若數(shù)據(jù)不準確，應及時更換飽和甘汞電極中的溶液。甘汞電極在使用時，電極上端小孔的橡皮塞應拔去，以防止

22、產(chǎn)生擴散電位影響測試結果。注意汞蒸氣有毒，使用甘汞電極時要小心。教 案六、附錄：1、直流電位差計采用補償測量法，以標準電池的電動勢作為實際標準，直接測量電動勢或電壓，間接測量電流、電阻以及其他電和非電的量值。它的主要優(yōu)點是測量時幾乎不損耗被測對象的能量，測量結果穩(wěn)定可靠，而且有很高的準確度，因此為教學、科研、生產(chǎn)及計量檢修部門所廣泛使用。UJ-25型電位差計工作原理UJ-25型電位差計為高精度0.01級、高電勢電位差計，它的測量盤結構屬于串聯(lián)代換式線路，即測量電阻是由代換十進盤組成的。其原理線路簡圖如圖1-4所示。圖1-5 UJ-25型電位差計原理圖2、檢流計檢流計又稱為電流計，它是屬于高感度的精密電流表。在平衡式直流電測量(如作為電位差計、電橋的附件)中主要用于示零，而在光電測量中用于微弱直流電流的測量。圖1-6 直流復射式檢流計原理示意圖在物理化學實驗中，目前應用較多的是磁電式直流復射式檢流計，其工作原理是在磁電式電流表的可動線圈上連接一個小反射鏡，并用磷青銅絲懸吊起來。當被測電流通過可動線圈時所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩使線圈偏轉(zhuǎn)，而磷青銅吊絲扭力所產(chǎn)生的反力矩阻止了可動線圈的繼續(xù)轉(zhuǎn)動而停留在某一偏轉(zhuǎn)角上。為使可動線圈的轉(zhuǎn)動反映到標尺上指示出數(shù)值來，利用檢流計內(nèi)的照明燈發(fā)出的一束光照射在可動線圈上的小反射鏡上，又經(jīng)多教 案次光點反射，最后在半透明的標尺上成像