原電池電動(dòng)勢和電極電勢的測量課件

基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)——物理化學(xué)原電池電動(dòng)勢和電極電勢的測量

西北大學(xué)國家級化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)——物理化學(xué)原電池電動(dòng)勢和電極電勢的測量1知識點(diǎn)：原電池電動(dòng)勢、電極電勢、能斯特方程。實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練要點(diǎn)：常用電極的制備；檢流計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電池、穩(wěn)壓電源、電位差計(jì)的使用；原電池電動(dòng)勢的測定。知識點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練要點(diǎn)知識點(diǎn)：知識點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練要點(diǎn)2一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)步驟

四、注意事項(xiàng)五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)六、實(shí)驗(yàn)延伸七、思考題一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)步驟四、注意事項(xiàng)五、實(shí)驗(yàn)總3一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)會(huì)幾種電極和鹽橋的制備方法；2.掌握對消法測量可逆電池電動(dòng)勢的原理；3.掌握UJ-25型電位差計(jì)的使用方法；4.學(xué)會(huì)電池的電動(dòng)勢的測定；5.計(jì)算Cu、Zn電極的電極電勢。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)會(huì)幾種電極和鹽橋的制備方法；4（一）可逆電池凡把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為原電池（或電池）。電池由兩個(gè)電極和連通兩個(gè)電極的電解質(zhì)溶液組成。對定溫定壓下的可逆電池而言:

式中，F(xiàn)為法拉弟（Farady）常數(shù)；n為電極反應(yīng)式中電子的得失數(shù)；E為電池的電動(dòng)勢。E可借助于電位差計(jì)測定二、實(shí)驗(yàn)原理（一）可逆電池凡把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為原電池（或電池）5（二）電位差計(jì)電位差計(jì)是利用補(bǔ)償法在電池?zé)o電流（或極小電流）通過時(shí)測得兩電極的電位差（二）電位差計(jì)電位差計(jì)是利用補(bǔ)償法在電池?zé)o電流（或極小電流）6工作原理圖E為工作電源電壓En為標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢Ex為未知電池電動(dòng)勢工作原理圖E為工作電源電壓7（三）電極電勢、電池電動(dòng)勢

每個(gè)電極都具有一定的電極電勢。當(dāng)電池處于平衡態(tài)時(shí)，兩個(gè)電極的電極電勢之差就等于該可逆電池的電動(dòng)勢，即

分別代表正、負(fù)極的電極電勢。和R＝8.134J·mol-1·K-1；F＝96500C·mol-1；T是絕對溫度；z是反應(yīng)中得失電子的數(shù)量，α為參與電極反應(yīng)的物質(zhì)的活度。E是原電池的電動(dòng)勢（三）電極電勢、電池電動(dòng)勢每個(gè)電極都具有一定的電極電勢。當(dāng)8以Cu-Zn電池為例，其電池表達(dá)式為：ZnZnSO4(m1)CuSO4(m2)Cu

鋅電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢銅電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢以Cu-Zn電池為例，其電池表達(dá)式為：ZnZnSO4(9

由飽和甘汞電極的電極電勢溫度校正公式求得測得電動(dòng)勢E，則可以確定進(jìn)而可求出

同理可以確定和選擇一個(gè)電極電勢已知的電極，如飽和甘汞電極，讓它與Cu電極組成電池，該電池的電動(dòng)勢為：由飽和甘汞電極的電極電勢溫度校正公式求得測得電動(dòng)勢E，則10工作電源電位差計(jì)檢流計(jì)標(biāo)準(zhǔn)電池待測電池儀器裝置工作電源電位差計(jì)檢流計(jì)標(biāo)準(zhǔn)電池待測電池儀器裝置111.將標(biāo)準(zhǔn)電池、工作電池、檢流計(jì)與電位差計(jì)面板相應(yīng)位置相連。2.調(diào)節(jié)工作電池電壓約為2V。三、實(shí)驗(yàn)步驟連接時(shí)應(yīng)注意極性1.將標(biāo)準(zhǔn)電池、工作電池、檢流計(jì)與電位差計(jì)面板相應(yīng)位置相連123.計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢，并調(diào)節(jié)電位差計(jì)面板上的溫度補(bǔ)償旋鈕。4.調(diào)節(jié)工作電流：

將（N、X1、X2）轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“N”標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢：依次旋動(dòng)粗”、“中”、“細(xì)”、“微”，直至檢流計(jì)不再偏轉(zhuǎn)為止。若檢流計(jì)總朝一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，應(yīng)如何排查？3.計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢，并調(diào)節(jié)電位差計(jì)面板上的溫度補(bǔ)償旋13（1）組裝Cu-Zn電池:在兩個(gè)干凈的小燒杯內(nèi)分別加入30mL0.10mol/kgZnSO4和CuSO4溶液，以飽和KCl鹽橋聯(lián)通兩燒杯。分別插入打磨干凈的Zn、Cu電極，電極導(dǎo)線與電位差計(jì)面板上未知電池1或未知電池2相接。

（2）將電位差計(jì)面板上的轉(zhuǎn)換開關(guān)（N、X1、X2）置于“X1”或“X2”位置，依次從大到小調(diào)節(jié)面板中部的六個(gè)旋鈕，直至檢流計(jì)不再偏轉(zhuǎn)為止。讀出數(shù)字，即為Cu-Zn電池的電動(dòng)勢。5.測未知電池電動(dòng)勢（3）同理測量其他未知電池電動(dòng)勢“鹽橋”的作用是什么？（1）組裝Cu-Zn電池:在兩個(gè)干凈的小燒杯內(nèi)分別加入30141.標(biāo)準(zhǔn)電池屬精密儀器，不可橫放、倒置或搖動(dòng)。2.用電位差計(jì)進(jìn)行測量前最好先估算電動(dòng)勢的大小。3.按電計(jì)按鈕的時(shí)間要短（<1s），不能一直按下按鈕；調(diào)節(jié)旋鈕時(shí)，電計(jì)按鈕要松開。4.為了避免使用汞齊電極時(shí)汞的污染，本實(shí)驗(yàn)直接使用高純度的鋅片和銅片為電極，使用前要打磨、沖洗、烘干。5.飽和甘汞電極使用時(shí)要將電極帽取下，用畢后用飽和氯化鉀溶液浸泡。四、注意事項(xiàng)1.標(biāo)準(zhǔn)電池屬精密儀器，不可橫放、倒置或搖動(dòng)。四、注意事項(xiàng)15(一).數(shù)據(jù)處理1.寫出實(shí)驗(yàn)時(shí)的室溫t及該溫度下標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢值Et；2.列出各電池電動(dòng)勢的測量值：a)(-)Zn|ZnSO4(0.10mol/kg)‖CuSO4(0.10mol/kg)|Cu(+)E=b)(-)Cu|CuSO4(0.01mol/kg)‖CuSO4(0.10mol/kg)|Cu(+)E=c)(-)Zn|ZnSO4(0.10mol/kg)‖飽和甘汞電極(+)E=d)(-)飽和甘汞電極‖CuSO4(0.10mol/kg)|Cu(+)E=五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)(一).數(shù)據(jù)處理1.寫出實(shí)驗(yàn)時(shí)的室溫t及該溫度下標(biāo)準(zhǔn)電池的163.根據(jù)飽和甘汞電極的電極電勢溫度校正公式，計(jì)算實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)飽和甘汞電極的電極電勢；(c)由電極電勢溫度校正公式分別計(jì)算銅、鋅電極計(jì)算其相對誤差。5.計(jì)算電池(1)的，并進(jìn)一步計(jì)算計(jì)算其相對誤差。公式中注意使用活度4.電池(3)、(4)的電動(dòng)勢測量值結(jié)合飽和甘汞電極的電極電勢：(a)分別計(jì)算銅、鋅電極的；(b)分別計(jì)算銅、鋅電極的。公式中注意使用活度3.根據(jù)飽和甘汞電極的電極電勢溫度校正公式，計(jì)算實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)17工作電源要有足夠的容量，才能保證工作電流恒定。如果檢流計(jì)本身是好的，按鍵后檢流計(jì)光點(diǎn)不動(dòng)，則說明線路中必有斷路。如果檢流計(jì)本身是好的，光點(diǎn)總是朝一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，則表明達(dá)不到補(bǔ)償，這可能是由以下原因造成：①被測電勢高于電位差計(jì)的限量；②工作電源沒有輸出，或輸出電動(dòng)勢過高或過低；③工作電流回路中有斷路；④工作電源、標(biāo)準(zhǔn)電池或待測電池的極性接反。（二）.討論工作電源要有足夠的容量，才能保證工作電流恒定。（二）.討論184.在測量電池電動(dòng)勢時(shí)，盡管我們采用的是對消法，但在對消點(diǎn)前，測量回路將有電流通過，所以在測量過程中不能一直按下電鍵按鈕，否則回路中將一直有電流通過，電極就會(huì)產(chǎn)生極化，溶液的濃度也會(huì)發(fā)生變化，測得的就不是可逆電池電動(dòng)勢，所以應(yīng)按一下調(diào)一下，直至平衡。在調(diào)節(jié)過程中，按下電鍵的次數(shù)應(yīng)盡量少。為了又快又準(zhǔn)地測量，應(yīng)事先計(jì)算理論值，在理論值附近調(diào)節(jié)。4.在測量電池電動(dòng)勢時(shí)，盡管我們采用的是對消法，但在對消點(diǎn)19原電池電動(dòng)勢的測量，是測定一系列物理化學(xué)常數(shù)所最常用的方法之一。在科研工作中具有重要的意義。例如，平衡常數(shù)、活度系數(shù)、解離常數(shù)、溶解度、配合常數(shù)、溶液中離子的話度以及某些熱力學(xué)函數(shù)的改變量等，均可通過電池電動(dòng)勢的測定來求得[1]。通過電動(dòng)勢法研究季銨鹽Gemini表面活性劑與牛血清白蛋白(BSA)之間的相互作用,得到它們結(jié)合過程的結(jié)合等溫線和對應(yīng)的Scatchard曲線,并通過結(jié)合能力的概念得到了結(jié)合過程的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)、Hill系數(shù)及Hill結(jié)合常數(shù)[2]。六、實(shí)驗(yàn)延伸原電池電動(dòng)勢的測量，是測定一系列物理化學(xué)常數(shù)所最常用的方法之20參考文獻(xiàn)

復(fù)旦大學(xué)等編.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).第三版.北京：高等教育出版社，2004：68-73頁寧愛民,黨玉麗,趙士舉,等.電動(dòng)勢法研究蛋白質(zhì)與季銨鹽Gemini表面活性劑的相互作用.應(yīng)用化學(xué)，2011,28（7）：826-830參考文獻(xiàn)復(fù)旦大學(xué)等編.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).第三版.北京：高211.

寫出標(biāo)準(zhǔn)電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)。并結(jié)合相圖分析為什么該電池可用作標(biāo)準(zhǔn)電池？2.選擇“鹽橋”液應(yīng)注意什么問題?3.分析可否直接用伏特計(jì)來測定電池電動(dòng)勢？七

、思考題1.寫出標(biāo)準(zhǔn)電池的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)。并結(jié)合相圖分析為什么22基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)——物理化學(xué)原電池電動(dòng)勢和電極電勢的測量

西北大學(xué)國家級化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)——物理化學(xué)原電池電動(dòng)勢和電極電勢的測量23知識點(diǎn)：原電池電動(dòng)勢、電極電勢、能斯特方程。實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練要點(diǎn)：常用電極的制備；檢流計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電池、穩(wěn)壓電源、電位差計(jì)的使用；原電池電動(dòng)勢的測定。知識點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練要點(diǎn)知識點(diǎn)：知識點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練要點(diǎn)24一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)步驟

四、注意事項(xiàng)五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)六、實(shí)驗(yàn)延伸七、思考題一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?、?shí)驗(yàn)原理三、實(shí)驗(yàn)步驟四、注意事項(xiàng)五、實(shí)驗(yàn)總25一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)會(huì)幾種電極和鹽橋的制備方法；2.掌握對消法測量可逆電池電動(dòng)勢的原理；3.掌握UJ-25型電位差計(jì)的使用方法；4.學(xué)會(huì)電池的電動(dòng)勢的測定；5.計(jì)算Cu、Zn電極的電極電勢。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)會(huì)幾種電極和鹽橋的制備方法；26（一）可逆電池凡把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為原電池（或電池）。電池由兩個(gè)電極和連通兩個(gè)電極的電解質(zhì)溶液組成。對定溫定壓下的可逆電池而言:

式中，F(xiàn)為法拉弟（Farady）常數(shù)；n為電極反應(yīng)式中電子的得失數(shù)；E為電池的電動(dòng)勢。E可借助于電位差計(jì)測定二、實(shí)驗(yàn)原理（一）可逆電池凡把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為原電池（或電池）27（二）電位差計(jì)電位差計(jì)是利用補(bǔ)償法在電池?zé)o電流（或極小電流）通過時(shí)測得兩電極的電位差（二）電位差計(jì)電位差計(jì)是利用補(bǔ)償法在電池?zé)o電流（或極小電流）28工作原理圖E為工作電源電壓En為標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢Ex為未知電池電動(dòng)勢工作原理圖E為工作電源電壓29（三）電極電勢、電池電動(dòng)勢

每個(gè)電極都具有一定的電極電勢。當(dāng)電池處于平衡態(tài)時(shí)，兩個(gè)電極的電極電勢之差就等于該可逆電池的電動(dòng)勢，即

分別代表正、負(fù)極的電極電勢。和R＝8.134J·mol-1·K-1；F＝96500C·mol-1；T是絕對溫度；z是反應(yīng)中得失電子的數(shù)量，α為參與電極反應(yīng)的物質(zhì)的活度。E是原電池的電動(dòng)勢（三）電極電勢、電池電動(dòng)勢每個(gè)電極都具有一定的電極電勢。當(dāng)30以Cu-Zn電池為例，其電池表達(dá)式為：ZnZnSO4(m1)CuSO4(m2)Cu

鋅電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢銅電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢以Cu-Zn電池為例，其電池表達(dá)式為：ZnZnSO4(31

由飽和甘汞電極的電極電勢溫度校正公式求得測得電動(dòng)勢E，則可以確定進(jìn)而可求出

同理可以確定和選擇一個(gè)電極電勢已知的電極，如飽和甘汞電極，讓它與Cu電極組成電池，該電池的電動(dòng)勢為：由飽和甘汞電極的電極電勢溫度校正公式求得測得電動(dòng)勢E，則32工作電源電位差計(jì)檢流計(jì)標(biāo)準(zhǔn)電池待測電池儀器裝置工作電源電位差計(jì)檢流計(jì)標(biāo)準(zhǔn)電池待測電池儀器裝置331.將標(biāo)準(zhǔn)電池、工作電池、檢流計(jì)與電位差計(jì)面板相應(yīng)位置相連。2.調(diào)節(jié)工作電池電壓約為2V。三、實(shí)驗(yàn)步驟連接時(shí)應(yīng)注意極性1.將標(biāo)準(zhǔn)電池、工作電池、檢流計(jì)與電位差計(jì)面板相應(yīng)位置相連343.計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢，并調(diào)節(jié)電位差計(jì)面板上的溫度補(bǔ)償旋鈕。4.調(diào)節(jié)工作電流：

將（N、X1、X2）轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“N”標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢：依次旋動(dòng)粗”、“中”、“細(xì)”、“微”，直至檢流計(jì)不再偏轉(zhuǎn)為止。若檢流計(jì)總朝一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，應(yīng)如何排查？3.計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢，并調(diào)節(jié)電位差計(jì)面板上的溫度補(bǔ)償旋35（1）組裝Cu-Zn電池:在兩個(gè)干凈的小燒杯內(nèi)分別加入30mL0.10mol/kgZnSO4和CuSO4溶液，以飽和KCl鹽橋聯(lián)通兩燒杯。分別插入打磨干凈的Zn、Cu電極，電極導(dǎo)線與電位差計(jì)面板上未知電池1或未知電池2相接。

（2）將電位差計(jì)面板上的轉(zhuǎn)換開關(guān)（N、X1、X2）置于“X1”或“X2”位置，依次從大到小調(diào)節(jié)面板中部的六個(gè)旋鈕，直至檢流計(jì)不再偏轉(zhuǎn)為止。讀出數(shù)字，即為Cu-Zn電池的電動(dòng)勢。5.測未知電池電動(dòng)勢（3）同理測量其他未知電池電動(dòng)勢“鹽橋”的作用是什么？（1）組裝Cu-Zn電池:在兩個(gè)干凈的小燒杯內(nèi)分別加入30361.標(biāo)準(zhǔn)電池屬精密儀器，不可橫放、倒置或搖動(dòng)。2.用電位差計(jì)進(jìn)行測量前最好先估算電動(dòng)勢的大小。3.按電計(jì)按鈕的時(shí)間要短（<1s），不能一直按下按鈕；調(diào)節(jié)旋鈕時(shí)，電計(jì)按鈕要松開。4.為了避免使用汞齊電極時(shí)汞的污染，本實(shí)驗(yàn)直接使用高純度的鋅片和銅片為電極，使用前要打磨、沖洗、烘干。5.飽和甘汞電極使用時(shí)要將電極帽取下，用畢后用飽和氯化鉀溶液浸泡。四、注意事項(xiàng)1.標(biāo)準(zhǔn)電池屬精密儀器，不可橫放、倒置或搖動(dòng)。四、注意事項(xiàng)37(一).數(shù)據(jù)處理1.寫出實(shí)驗(yàn)時(shí)的室溫t及該溫度下標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢值Et；2.列出各電池電動(dòng)勢的測量值：a)(-)Zn|ZnSO4(0.10mol/kg)‖CuSO4(0.10mol/kg)|Cu(+)E=b)(-)Cu|CuSO4(0.01mol/kg)‖CuSO4(0.10mol/kg)|Cu(+)E=c)(-)Zn|ZnSO4(0.10mol/kg)‖飽和甘汞電極(+)E=d)(-)飽和甘汞電極‖CuSO4(0.10mol/kg)|Cu(+)E=五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)(一).數(shù)據(jù)處理1.寫出實(shí)驗(yàn)時(shí)的室溫t及該溫度下標(biāo)準(zhǔn)電池的383.根據(jù)飽和甘汞電極的電極電勢溫度校正公式，計(jì)算實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)飽和甘汞電極的電極電勢；(c)由電極電勢溫度校正公式分別計(jì)算銅、鋅電極計(jì)算其相對誤差。5.計(jì)算電池(1)的，并進(jìn)一步計(jì)算計(jì)算其相對誤差。公式中注意使用活度4.電池(3)、(4)的電動(dòng)勢測量值結(jié)合飽和甘汞電極的電極電勢：(a)分別計(jì)算銅、鋅電極的；(b)分別計(jì)算銅、鋅電極的。公式中注意使用活度3.根據(jù)飽和甘汞電極的電極電勢溫度校正公式，計(jì)算實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)39工作電源要有足夠的容量，才能保證工作電流恒定。如果檢流計(jì)本身是好的，按鍵后檢流計(jì)光點(diǎn)不動(dòng)，則說明線路中必有斷路。如果檢流計(jì)本身是好的，光點(diǎn)總是朝一個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，則表明達(dá)不到補(bǔ)償，這可能是由以下原因造成：①被測電勢高于電位差計(jì)的限量；②工作電源沒有輸出，或輸出電動(dòng)勢過高或過低；③工作電流回路中有斷路；④工作電源、標(biāo)準(zhǔn)電池或待測電池的極性接反。（二）.討論工作電源要有足夠的容量，才能保證工作電流恒定。（二）.討論404.在測量電池電動(dòng)勢時(shí)，盡管我們采用的是對消法，但在對消點(diǎn)前，測量回路將有電流通過