11实验十一原电池电动势的测定.docx

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1、物理化学试验报告原电池电动势的测定一、试验目的1. 测定 CuZn 电池的电动势和Cu、Zn 电极的电极电势。2. 了解可逆电池、可逆电极、盐桥等概念。3. 学会一些电极的制备和处理方法，把握电位差计的测量原理和操作方法。二、试验原理电池由正、负两极组成，在放电过程中，正极(阴极)发生复原反响，负极(阳极)发生氧化反响，电池内部可能发生其他反响(如离子迁移等)，电池反响是电池中全部反响的总和。电池除可以用来作为电源外，还可用来争论构成电池的化学反响的热力学性质。从化学热力学知道，在恒温、恒压、可逆条件下，系统的吉布斯函数变 G 与电池的电动势存在以下关系： G = nFE(111)式中： G

2、是电池反响的吉布斯函数变，F 是法拉第常数(等于 96500 库仑，n图 111Cu-Zn 电池及常用盐桥示意图a.电极管式电池b.烧杯式电池1. Zn 电极2. ZnSO 溶液3. Cu 电极4. CuSO 溶液445. 盐桥6.电极管是得失电子数，E 是电池的电动势。可见，只要能测出该电池的 E，便可求出 G，通过 G 又可求出其他热力学函数，但必需留意，只有恒温、恒压、可逆条件下，上式才能成立。这就首先要求电池反响本身是可逆的，即要求电极反响必需可逆，且不存在任何不行逆的液体接界电势。另外，电池还必需在可逆的状况下工作，即放电和充电过程都必需在准平衡状态下进展，此时只有无限小的电流通过电

3、池。只有这样，测得的电动势才能与理论值(用Nernst 方程计算值)相吻合。用电化学方法争论化学反响的热力学性质时所设计的电池 应尽量避开消灭液体接界电势，在准确度要求不高的测量中，常用“盐桥”来消退。如图111 所示，常用的盐桥有KCl(3moldm-3 或饱和)，KNO ，NH NO343等。在进展电池电动势测量时，为了使电池反响在接近热力学可逆条件下进 行，不能用伏特表，而要用电位差计。由(111)式可推导出电池电动势及电极电势与浓度的关系表达式，下面以CuZn 电池为例进展分析。电池组成 Zn|ZnSO (c )CuSO (c )|Cu4142负极反响 ZnZn2+2e正极反响 Cu2

4、+2eCu电池反响 ZnCu2+Zn 2+Cu由热力学其次定律可知， G 与 G 的关系，可表示为：4DG = DGq(112)a+ RT ln aZn2+Cu2+将(11-2)式代入(11-1)式，得到电池的电动势与活度的关系式：RTaE = Eq -ln2FaZn2+(113)Cu2+式中 E 为溶液中锌离子的活度aZn2+和铜离子的活度aCu 2+均等于 1 时的电池电动势，被称为标准电动势。由于E对铜锌电池而言： (Cu2+/Cu)； (Zn2+/Zn)RT(114)j(Cu 2+ / Cu) = j (Cu 2+ / Cu) +2Fj(Zu2+ / Zn) = j (Zn2+ / Z

5、n) + RTln aln aCu2+(115)2FZn2+式中 (Cu2+/Cu)、 (Zn2+/Zn)为铜电极和锌电极的标准电极电势。三、仪器和试剂电位差计 1 台检流计 1 台标准电池 1 只直流稳压电源 1 台饱和甘汞电极 1 支铜电极 2 支锌电极 1 支电极管 3 支50cm3 烧杯 4 个饱和KCl 溶液电极架 3 支铜片(镀铜用的阳极) 稀 H SO稀 HNO243ZnSO 溶液 0.1000moldm-34CuSO 溶液 0.1000moldm-34砂纸，0.01000moldm-3镀铜溶液(CuSO 5H O125gdm3，H SO 25gdm3，乙醇 50mgdm3)42

6、24四、试验步骤1. 电极制备(1)锌电极先用砂纸将锌片或锌棒外表留神抛光，用蒸馏水冲洗。然后用稀 H SO 溶液浸24洗片刻，再用蒸馏水和 ZnSO4溶液浸洗。把处理好的锌电极插入清洁的电极管内A整流器铜阴极铜阳极图 112 制备铜电极的电镀装置并塞紧， 将电极管的虹吸管管口浸入盛有0.1000moldm3 ZnSO4溶液的小烧杯内，将溶液倒入电极管浸没电极略高一点，塞紧橡皮管。注意虹吸管内(包括管口)不行有气泡，也不能有漏液现象。(2) 铜电极铜电极先在稀HNO3 (约 6moldm3)内浸洗， 取出后用蒸馏水冲洗干净。依据图 112 装置，将两个铜电极并联在一起作为阴极，取另一铜片做阳极

7、，在镀铜溶液内进展电镀。电镀条件：电流密度掌握在 20mAcm2 左右，电镀约 15min，使铜电极外表上有一严密的镀层。电镀后，将铜电极取出，用蒸馏水淋洗，分别插入两个电极管内，同上法分别参加0.1000mold3CuSO 溶液和 0.0100moldm3CuSO 溶液，44其它操作同锌电极制备。(3) 电池的组合将饱和 KCl 溶液注入 50cm3 的小烧杯中，制成盐桥，再将制备的锌电极和铜电极用盐桥连接起来，即Cu-Zn 电池装置。如图 111。同法组成以下电池：Cu|CuSO (0.0100moldm3)CuSO (0.1000moldm3)|Cu44Zn|ZnSO (0.1000mo

8、ldm3)KCl(饱和)|Hg Cl |Hg422Hg| Hg Cl |KCl(饱和)CuSO (0.1000moldm3)|Cu2242. 电动势的测定(1) 依据图 114 连接好电动势的测量电路，经教师检查前方可接上电源。(2) 依据标准电池电动势的温度校正公式，计算出室温下标准电池的电动势值。(3) 按室温下的标准电池电动势值对电位差计的工作电流进展标定。(4) 依据附录 UJ25 型高阻直流电位差计的使用方法分别测定以下各电池的电动势。Zn|ZnSO (0.1000moldm3)CuSO4(0.1000moldm3)|Cu4Cu|CuSO (0.0100moldm3)CuSO (0.

9、1000moldm3)|Cu44Zn|ZnSO (0.1000moldm3)KCl(饱和)|Hg Cl |Hg422Hg| Hg Cl |KCl(饱和)CuSO (0.1000moldm3)|Cu224五试验记录1.室温 t=20 EN=1.01860V2. Zn|ZnSO4(0.1000mol/ dm3)|CuSO4(0.1000mol/ dm3)|Cu测量值E=1.0772VCu|CuSO4(0.0100mol/ dm3)|CuSO4(0.1000mol/ dm3)|Cu测量值E=0.0154VZn|ZnSO4(0.1000mol/ dm3)|KCL(饱和)|Hg2Cl2|Hg测量值E=1

10、.0398VHg|Hg2Cl2|KCl(饱和)|CuSO4(0.1000mol/ dm3)|Cu测量值E=0.03989V六、数据处理1.按公式 0.24157.61104(t25)，计算室温时，饱和甘汞电极的电极电势。=0.2415-7.610.0001(20-25)=0.2453V2. 计算以下电池电动势的理论值：Zn|ZnSO (0.1000moldm3)CuSO (0.1000moldm3)|Cu44Cu|CuSO (0.0100moldm3)CuSO (0.1000moldm3)|Cu44计算时物质的浓度要用活度表示，如 a= c2+， a= c2+， Zn2+ZnCu 2+Cu是离

11、子的平均离子活度系数，浓度、温度、离子种类不同， 数值亦不同。的数值见表 111：表 11-1 离子平均活度系数 (25)电解质 0.1000moldm30.0100moldm3CuSO4ZnSO40.160.150.400.387将计算得的理论值与试验值进展比较。Zn|ZnSO4(0.1000mol/ dm3)|CuSO4(0.1000mol/ dm3)|CuE 理论= + -= Cu2+/Cu- Zn2+/ Zn=0.340+8.314293.15/2965000.160.1000+-0.7626+8.314293.15/2965000.150.1000=0.288-0.8156=1.10

12、36VCu|CuSO4(0.0100mol/ dm3)|CuSO4(0.1000mol/ dm3)|CuE 理论= + -= Cu2+0.1000mol/ dm3/Cu- Cu2+0.0100mol/ dm3/ Cu=0.340+8.314293.15/2965000.160.1000+0.340+8.314293.15/2965000.160.01000=0.288-0.270=0.018V3. 依据以下电池的电动势的试验值E实Zn|ZnSO (0.1000moldm3)KCl(饱和)|Hg Cl |Hg422Cu|CuSO (0.0100moldm3)CuSO (0.1000moldm3)

13、|Cu44分别计算出锌的电极电势及铜的电极电势，并与它们的标准电极电势进展比较。 -= +E=0.2453-1.0398=-0.7945V确定误差= Zn2+ /Zn- Zn2+ /Zn=-0.7945V-0.7626=-0.0319V相对误差=-0.0319/-0.7626100%=4.18% += -+E=0.2453+0.03989=0.28519V确定误差= ( Cu2+/Cu)- ( Cu2+/Cu)=0.28519-0.340=-0.05481V相对误差=-0.05481/0.340100%=-1.61%4. 依据(11-1)式和E ，计算电池实Zn|ZnSO (0.1000mol

14、dm3)CuSO4(0.1000moldm3)|Cu4反响的 G 值。依据热力学数据表，将计算所得 G 值与实测值进展比较。实测值： G=-nFE=-2965001.0772=-207.90KJ/mol表 11-2 热力学数据表(25)CuCu2ZnZn 2七、思考题G (kJmol1)064.980147.19f1. 在测量电动势的过程中，假设检流计光点总是向一个方向偏转，可能是什么缘由?答：可能偏大或偏小，应将检流计向相反的方向减小或增大。2. 写电池符号时，将 Zn 电极与甘汞电极组成的电池中的甘汞电极符号写在右边，即：Zn|ZnSO (0.1000moldm3)KCl(饱和)|Hg C

15、l |Hg422而将 Cu 电极与甘汞电极组成的电池中的甘汞电极写在左边，即：Hg| Hg Cl |KCl(饱和)CuSO (0.1000moldm3)|Cu224为什么要这样?不这样是否可以?答.E=0.81695V,E =0.28698V,E1=0.24150V,正极电动势要大于负极。zn2+cu2+七、附注1. 惠斯顿标准电池惠斯顿(Weston)标准电池(图 113)，具有高度可逆性，能长时间保持电动势稳定，而且温度系数很小。其组成如下：812.5%Cd(汞齐)|CdSO 3 H O(s)|CdSO (饱和溶液)|HgSO (s)|Hg电极反响：4244正极：Hg SO (s)+2e

16、SO 22Hg(l)24488负极：Cd(Hg)SO 2H O(l) CdSOH O(s)2e4323288电池反响：Cd(Hg)HgSO (s)H O(l) 2Hg(l) CdSOH O(s)243232rRRNRXQ+-2EGXK+-1EN图 11-4 对消法测电动势原理图20时惠斯顿电池的电动势是 1.01860V，其他温度下的电动势可按下式计算： EN=1.01860-4.06105(t20)9.5107(t图 11-3 标准电池示意图20)2(V)2. UJ25 型高阻直流电位差计(1)测量原理电位差计是依据补偿法(或称对消法)测量原理设计的一种平衡式电压测量仪器，在测量中几乎不损失

17、被测对象的能量，且具有很高的精度。它与标准电池， 检流计协作成为电压测量中最根本的测试设备，其原理如图114 所示。在这个线路里：EN 是标准电池、EX 是被测电动势、G 是检流计、RN 是标准电池电动势的补偿电阻、RX 是被测电动势的补偿电阻、r 是工作电流调整电阻、B 是工作电源、K 是转换开关。假设将 K 放在 1 位置，然后调整 r 使检流计指零，这时可得ENIRN(116)式中：I 是流过 RN 和 R 上的电流，称为电位差计的工作电流。由(11-6)式得：EINRN(117)工作电流调整好后，将K 放在 2 位置，同时移动触头Q，再次使检流计指零 ， 此 时 滑 动 触 头Q在R上

18、 的 值 为RX ， 因 此 可 得 ： EX IRXRR(118)由(11-7)和(11-8)式得：EX EXNN(119)EX 值可在电位差计上准确读出。从(119)式可看出，用电位差计测量电动势有以下优点：1) 不需要测量出线路中电流大小，只要测量RX 与 RN 的比值即可。2) 当完全补偿时，测量回路与被测回路之间无电流流过，测量线路不消耗被测量线路的能量。3) 测量的准确性是依靠标准电池电动势 EN 及被测电动势之补偿电阻 RX 与标准电池电动势补偿电阻 RN 之比值的准确性和工作电流稳定性所打算，由于补偿电阻 RX、RN 精度和稳定性都比较高，再加使用高灵敏度检流计，因此测量结果极

19、为准确。(2) 线路和构造12345电计-标准+-未知 1+-未知 2+ - 1.952.22.93.3 屏671.0186VUx=10-110-210-310-410-5粗10中-6细NX断X断2粗 细 短路1微111098图 11-5 UJ25 型电位差计示意图1.检流计接线柱2.标准电池接线柱3.4.未知电池接线柱5.工作电源接线柱6.标准电池温度补偿旋纽7.RN旋纽8.R旋纽9.测量开关X10.换档旋纽UJ25 型高阻电位差计(如图 115)有三个电源接线端钮，一个为负极端钮， 另外两个正极端钮分别代表 1.952.2V 和 2.93.3V 电源电压输入。“标准”、“未知”、“检流计”

20、各由二个接线端钮组成，供接标准电池、被测电势和检流计之用，除“检流计”接线端钮外，其余都标有“ +、-”符号， 以免接线时极性接错。“标准、未知、断”开关，供选择接入标准电流，被测电势和测量线路断开之用。“粗、细、短”三个按钮，是用来将“检流计”接通或短路之用，按下“粗”按钮，检流计回路中接入 100k保护电阻， 以限制经过检流计线圈的电流。全部十进盘开关均承受高绝缘材料制成，接触热电势和接触电阻变差均很小。电阻元件都装在有机玻璃或塑料防护盒内。每只十进盘开关都为单独部件。电阻、电刷都装有密封防护板保护。全部十进盘开关都安装在金属板上。11.U测量值(3) 使用方法在使用电位差计前，首先将“标准、未知、断”转换开关放在“断”的位置上，将“粗”、“细”、“短”三个按钮松开，然后将电源、标准电池和被测电动势按正负极性接在相应的接线端钮上，将检流计(没有极性要求)接在相应的接线端钮上。将标准电池温度补偿盘的指示值调至室温条件下标准电池的电动势值。将“标准、未知、断”转换开关，旋到“标准”位置上。先按下“粗”后按 下“细”按钮，调整工作电流电阻使检流计指零。松开“粗”“细”按钮，将“标准、未知、断”转换开关旋到“未知”位置上，先按下“粗，”后按下“细”按钮，调整六只测量十进盘的大旋钮，使检流计指零，在一排显字窗口内消灭的示数， 就是被测EX的电动势数值。