物化实验原电池电动势的测定及其应用实验报告中学教育中学实验高等教育实验设计.pdf

原电池电动势的测定及其应用 一、目的与要求 1、测定ZnCu电池的电动势和 Cu、Zn电极的电极电势；2、学会一些电极的制备和处理方法；3、掌握电位差计的测量原理和正确使用方法。二、基本原理 原电池由正、负两极和电解质组成。电池在放电过程中，正极上发生还 原反应，负极则发生氧化反应，电池反应是电池反应中所有反应的总和。电 池除作电源外，还可用它来研究构成此电池的化学反应的热力学性质。从化 学热力学得知，在恒温、恒压、可逆条件下，电池反应有以下关系：G=nFE(6-1)式中G是电池反应的吉布斯自由能增加；n为电极反应中电子得失数；F为法拉第常数，E为电池的电动势。从式中可知，测定电池的电动势E后,便可求得厶G,进而又可求得其他热力学参数。但须注意，首先要求被测电 池反应本身是可逆的，即要求电池的电极反应是可逆的，并且不存在不可逆 的液接界。同时要求电池必须在可逆情况下工作，即放电和充电过程都必须 在准平衡状态下进行，此时只允许有无限小的电流通过电池。因此在用电化 学方法研究化学反应的热力学性质时，所设计的电池应尽量避免出现液接 界，在精确度要求不高的测量中，常用“盐桥”来减少液接界电势。为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行，一般均采用电位差计测 量电池的电动势。原电池电动势主要是两个电极电势的代数和，如能分别测 定出两个电极的电势，就可计算得到由它们组成的电池电动势。由(61)式可推导出电池电动势的表达式。下面以锌铜为例进行分析。电池表示式为：Zn I ZnSO II CuSO I Cu 符号“I”代表固相(Zn或Cu)和液相(Zn SO4或CuSO4两相界面；“II”代表连通两个液相的“盐桥”。当电池放电时：负极起氧化反应 Zn f Zn 2+2e-正极起还原反应 Cu 2+2e f Cu-(6 5)E=T(右还原电势)一T(左还原电势)对锌-铜电池而言,0 T(Cu2/Cu)0 Rim 2F 1 a(Cu2)T(Zn2/Zn)RT 2F In 1 a(Zn2)(6-6)(6-7)(6-8)式中 T(Cu2/Cu)0 T(Zn2/Zn)是当 a(Cu2)=a(Zn2)=1 时，铜(6-9)(6-10)电池总反应为 Zn+Cu 2-Zn 2+Cu 电池反应的吉布斯自由能变化值为：2 G G0 RTln a(Zn2)a(Cu)(6-2)a(Cu2)a(Zn)上述式中厶G0为标准态时自由能的变化值；a为物质的活度，纯固 体物质的活度等于1,则有：a(Zn)=a(Cu)=1(6-3)在标准态时，G=G0=-nFE 0(6-4)式中E0为电池的标准电动势。由(2-10-1)至(2-10-4)式可解得:2 E E。RTln 叫 nF a(Cu2)对于任一电池，其电动势等于两个电极电势之差值，其计算式为:电极和锌电极的标准电极电势 对于单个离子，其活度是无法测定的，但强电解质的活度与物质的平均 质量摩尔浓度和平均活度系数之间有以下关系：a(Zn2)G 2 a(Cu)c2 是离子的平均离子活度系数。其数值大小与物质浓度、离子的种 类、实验温度等因素有关。在电化学中，电极电势的绝对值至今无法测定，通常将氢电极在氢气压 力为101325PQ溶液中氢离子活度为1时的电极电势规定为零伏，称为标准 氢电极，然后与其他被测电极进行比较。由于使用标准氢电极不方便，在实掌握电位差计的测量原理和正确使用方法二基本原理原电池由正负两极和电解质组成电池在放电过程中正极上发生还原反应负极则发生氧化反应电池反应是电池反应中所有反应的总和电池除作电源外还可用它来研究构成此电池的化能增加为电极反应中电子得失数为法拉第常数为电池的电动势从式中可知测定电池的电动势后便可求得厶进而又可求得其他热力学参数但须注意首先要求测电池反应本身是可逆的即要求电池的电极反应是可逆的并且不存在不可逆的电流通过电池因此在用电化学方法研究化学反应的热力学性质时所设计的电池应尽量避免出现液接界在精确度要求不高的测量中常用盐桥来减少液接界电势为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行一般均采用电位差计测量电池铜电极（Cu2/Cu）0.000016 V K-1,0 锌电极（Zn2 Zn）际测定时往往采用第二级的标准电极。甘汞电极（SCE是其中最常用的一种。以上所讨论的电池是在总反应中发生了化学变化，因而被称为化学电池。还有一类电池叫浓差电池，这种电池在净作用过程中，仅仅是一种物质从高 浓度（或高压力）状态向低浓度（或低压力）状态转移，从而产生电动势，而这种电池的标准电动势E0等于零伏。例如电池 Cu CuSO4（c1）|CuSO4（c2）Cu 就是浓差电池的一种。电池电动势的测定工作，必须在电池处于可逆条件下进行，因此根据对 消法原理（在外电路上加一个方向相反而电动势几乎相等的电池）设计了一 种电位差计，以满足测量工作的要求。本实验是在实验温度下测得的电动势 T，可由（2 10 7）和（2 10 8）式计算T，由 1 T 红（T 298）-（T 298）2 式求出298K时的标准电极电势 红。式中a，B为电池电极的温度系数。对Zn Cu电池来说:-1 6-2 0.0001 V K,0.62 10 V K 三、仪器试剂 数字式电位差计 镀铜溶液 滑动变阻器 硫酸锌溶液（0.1000 mol.L 1)毫安表 硫酸铜溶液（0.1000 mol.L 1)电线若干 饱和氯化钾溶液 饱和甘水电极 盐桥，100ml 烧杯 硫酸(6 mol.L 1)硝酸(6 mol.L 1)四、实验步骤 掌握电位差计的测量原理和正确使用方法二基本原理原电池由正负两极和电解质组成电池在放电过程中正极上发生还原反应负极则发生氧化反应电池反应是电池反应中所有反应的总和电池除作电源外还可用它来研究构成此电池的化能增加为电极反应中电子得失数为法拉第常数为电池的电动势从式中可知测定电池的电动势后便可求得厶进而又可求得其他热力学参数但须注意首先要求测电池反应本身是可逆的即要求电池的电极反应是可逆的并且不存在不可逆的电流通过电池因此在用电化学方法研究化学反应的热力学性质时所设计的电池应尽量避免出现液接界在精确度要求不高的测量中常用盐桥来减少液接界电势为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行一般均采用电位差计测量电池1、电极制备 掌握电位差计的测量原理和正确使用方法二基本原理原电池由正负两极和电解质组成电池在放电过程中正极上发生还原反应负极则发生氧化反应电池反应是电池反应中所有反应的总和电池除作电源外还可用它来研究构成此电池的化能增加为电极反应中电子得失数为法拉第常数为电池的电动势从式中可知测定电池的电动势后便可求得厶进而又可求得其他热力学参数但须注意首先要求测电池反应本身是可逆的即要求电池的电极反应是可逆的并且不存在不可逆的电流通过电池因此在用电化学方法研究化学反应的热力学性质时所设计的电池应尽量避免出现液接界在精确度要求不高的测量中常用盐桥来减少液接界电势为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行一般均采用电位差计测量电池(6 11)0 0 298(Cu2/Cu),298(Zn2/Zn)0.3419(V)0.7627(V)铜电极：取宽度为1cm的铜片两片(因为要测浓差电池，所以要电镀两铜片)，宽度为2cm的铜片1片放在盛有6N硝酸的小烧杯内浸洗，除去氧化层，然后用 水冲洗，再用蒸馏水淋洗，最后用滤纸吸干。将 1cm宽的两铜片置于盛有镀铜 溶液的100ml烧杯作阴极，直接接到台面上的黑色旋钮上，将 2cm宽的一铜片 置于同一烧杯中作阳极，把毫安表，滑动变阻器串联在电路中，再接到台面上的 红色旋钮上。电流密度控制在 20ma-cm 2为宜，电镀30分钟。锌电极：用6mol L-1硫酸浸洗锌片，以除去表面上的氧化层，取出后用水洗 涤，再用蒸馏水淋洗，最后用滤纸吸干。2.电池组合：把甘汞电极放入装有饱和氯化钾溶液的 50ml小烧杯内做负极，把 锌电极放入装有硫酸锌的50ml小烧杯内做正极，用盐桥把两个小烧杯连接起来，即成下列电池：ZnZn SQ(q)|KCI(饱和)Hg2 Cl2 Hg 同法分别组成下列电池进行测量：Hg Hg2Cl2 KCl(饱和)CuSCKoJCu Zn ZnSO4(c1)|CuSO4(c2)Cu Cu CuSO4(0.0100mol L 1)|CuSO4(0.100mol L 1)Cu 3.电动势测定 按照电位差计电路图，接好电动势测量线路；按照电位差计说明书的步骤进行操作，分别测定以上四个电池的电动势。五、数据处理 1.根据饱和甘汞电极的电极电势温度校正公式，计算实验温度下的电极电势:SCE/V 0.2415 7.61 10 4(T 298)2.根据测定的各电池的电动势，分别计算铜、锌电极的 3根据有关公式计算Zn Cu电池的理论电动势E理，并以实验值E实进行比较 4.根据文献数据：0 298(Cu2/Cu)0 298(Zn2/Zn)掌握电位差计的测量原理和正确使用方法二基本原理原电池由正负两极和电解质组成电池在放电过程中正极上发生还原反应负极则发生氧化反应电池反应是电池反应中所有反应的总和电池除作电源外还可用它来研究构成此电池的化能增加为电极反应中电子得失数为法拉第常数为电池的电动势从式中可知测定电池的电动势后便可求得厶进而又可求得其他热力学参数但须注意首先要求测电池反应本身是可逆的即要求电池的电极反应是可逆的并且不存在不可逆的电流通过电池因此在用电化学方法研究化学反应的热力学性质时所设计的电池应尽量避免出现液接界在精确度要求不高的测量中常用盐桥来减少液接界电势为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行一般均采用电位差计测量电池六、思考题 1为何测电势要用对消法？2侧电动势为何要用盐桥？掌握电位差计的测量原理和正确使用方法二基本原理原电池由正负两极和电解质组成电池在放电过程中正极上发生还原反应负极则发生氧化反应电池反应是电池反应中所有反应的总和电池除作电源外还可用它来研究构成此电池的化能增加为电极反应中电子得失数为法拉第常数为电池的电动势从式中可知测定电池的电动势后便可求得厶进而又可求得其他热力学参数但须注意首先要求测电池反应本身是可逆的即要求电池的电极反应是可逆的并且不存在不可逆的电流通过电池因此在用电化学方法研究化学反应的热力学性质时所设计的电池应尽量避免出现液接界在精确度要求不高的测量中常用盐桥来减少液接界电势为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行一般均采用电位差计测量电池