原电池电动势的测定实验报告.pdf

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一、实验目的
-Zn电池的电动势和Cu、Zn电极的电极电势。
。
-Ⅲ数字电位差计的测量原理和正确的使用方法。
二、实验原理
电池由正、负两极组成。电池在放电过程中,正极起还原反应,负极起氧化反应,电池
内部还可以发生其它反应,电池反应是电池中所有反应的总和。
电池除可用来提供电能外,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
学热力学知道,在恒温、恒压、可逆条件下,电池反应有以下关系:
GnFE(9-1)
式中G是电池反应的吉布斯自由能增量;n为电极反应中得失电子的数目;F为法拉第常
数(其数值为96500Cmol1);E为电池的电动势。所以测出该电池的电动势E后,进而
又可求出其它热力学函数。但必须注意,测定电池电动势时,首先要求电池反应本身是可逆
的,可逆电池应满足如下条件:
(1)电池反应可逆,亦即电池电极反应可逆;
(2)电池中不允许存在任何不可逆的液接界;
(3)电池必须在可逆的情况下工作,即充放电过程必须在平衡态下进行,亦即允许通过
电池的电流为无限小。
因此在制备可逆电池、测定可逆电池的电动势时应符合上述条件,在精确度不高的测量
中,常用正负离子迁移数比较接近的盐类构成“盐桥”来消除液接电位。
在进行电池电动势测量时,为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行,采用电位计
测量。原电池电动势主要是两个电极的电极电势的代数和,如能测定出两个电极的电势,就
可计算得到由它们组成的电池的电动势。由(9-1)式可推导出电池的电动势以及电极电势
的表达式。下面以铜-锌电池为例进行分析。电池表示式为:
Zn(s)ZnSO(m)CuSO(m)Cu(s)
4142
符号“|”代表固相(Zn或Cu)和液相(ZnSO或CuSO)两相界面;“‖”代表连通两
44
个液相的“盐桥”;m和m分别为ZnSO和CuSO的质量摩尔浓度。
1244
当电池放电时,
负极起氧化反应:Zn(s)Zn2a()e2
Zn2
正极起还原反应:Cu2(a)2eCus()
Cu2
电池总反应为:Zn(s)Cu2(a)Zn2(a)Cu(s)
Cu2Zn2
电池反应的吉布斯自由能变化值为:
aa
GGRTlnZn2Cu(9-2)
aa
Cu2Zn
上述式中G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,
即aa1。而在标态时,aa1,则有:
CuZnCu2Zn2
GGnFE(9-3)
式中E为电池的标准电动势。由(9-1)至(9-1)式可得:
RTa
EElnZn2(9-4)
nFa
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:
E(9-5)

对铜-锌电池而言
RT1
ln(9-6)
Cu2,Cu2Fa
Cu2
RT1
ln(9-7)
Zn2,Zn2Fa
Zn2
式中和是当aa1时,铜电极和锌电极的标准电极电势。
Cu2,CuZn2,ZnCu2Zn2
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m(9-8)
Zn21
am(9-9)
Cu22
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

数有关。
在电化学中,电极电势的绝对值至今无法测定,在实际测量中是以某一电极的电极电势
作为零标准,然后将其它的电极(被研究电极)与它组成电池,测量其间的电动势,则该电
动势即为该被测电极的电极电势。被测电极在电池中的正、负极性,可由它与零标准电极两
者的还原电势比较而确定。通常将氢电极在氢气压力为101325Pa,溶液中氢离子活度为1
时的电极电势规定为零伏,即0,称为标准氢电极,然后与其它被测电极进行比较。
H,H
2
由于氢电极使用不便,常用另外一些易制备、电极电势稳定的电极作为参比电极,常用
的参比电极有甘***电极。
以上所讨论的电池是在电池总反应中发生了化学变化,因而被称为化学电池。还有一类
电池叫做浓差电池,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E等于零伏。
例如电池Cu(s)Cu(dm3)Cu(dm3)Cu(s)就是浓差电池的
一种。
电池电动势的测量工作必须在电池可逆条件下进行,必须指出,电极电势的大小,不仅
与电极种类、溶液浓度有关,而且与温度有关。本实验是在实验温度下测得的电极电势,
T
由(9-6)式和(9-7)式可计算。为了比较方便起见,可采用下式求出298K时的标准电
T
极电势。
298K
1
(T298K)(T298K)2
T298K2
式中、为电极电势的温度系数。对于Cu-Zn电池来说:
铜电极(Cu2,Cu),103VK1,0
锌电极[Zn2,Zn(Hg)],103VK1,106VK2
三、仪器和试剂
SDC-Ⅲ电位差计1台;镀铜溶液;
电镀装置1套;饱和***亚***(控制使用);
标准电池1个;硫酸锌(分析纯);
饱和甘***电极1支;铜、锌电极;
电极管2支;硫酸铜(分析纯);
电极架2个;***化钾(分析纯)。
四、实验步骤

(1)锌电极:将锌电极在稀硫酸溶液中浸泡片刻,取出洗净,再浸入***或饱和***亚***
溶液中约10s,表面上即生成一层光亮的***齐,用水冲洗晾干后,kg1ZnSO
4
中待用。
(2)铜电极:将铜电极在6moldm3的***溶液中浸泡片刻,取出洗净,将铜电极置于
电镀烧杯中作为阴极,另取一个经清洁处理的铜棒作阳极,进行电镀,电流密度控制在
20mAcm2为宜。其电镀装置如图9-1所示。电镀半小时,使铜电极表面有一层均匀的新
鲜铜,kg1CuSO中备用。
4

将饱和KCl溶液注入50mL的小烧杯内,制盐桥,再将上面制备的锌电极和铜电极
可变电阻0-50mA
铜电极铜棒
盐桥铜电极
Zn电极
图9-1制备铜电极的电镀装置图9-2Cu-Zn电池装置示意图
置于小烧杯内,即成Cu-Zn电池:
Zn(s)ZnSO(kg1)CuSO(kg1)Cu(s)
44
电池装置如图9-2所示。
同法组成下列电池:
Cu(s)CuSO(kg1)CuSO(kg1)Cu(s)
44
Zn(s)ZnSO(kg1)KCl(饱和)HgCl(s)Hg(l)
422
Hg(l)HgCl(s)KCl(饱和)CuSO(kg1)Cu(s)
224

(1)按照电位差计电路图,接好电动势测量线路。
(2)根据标准电池的温度系数,计算实验温度下的标准电池电动势。以此对电位差计进
行标定。
E/VE/V[(t/C20)(t/C20)2(t/C20)3]106
t20
(3)分别测定以上电池的电动势。
五、数据记录及处理
。

VNaoH(mL)VHAc(mL)CHAc(mol/L)CHAc(mol/L)平均


瓶号活性炭重起始浓度平衡浓度吸附量
(g)(mol/L)(mol/L)(mol/kg)





,平衡浓度c及吸附量Ґ(mol•kg-1)。
0
计算结果如上表。
由计算吸附量。
。
-c图,并求出和常数K。
由直线斜率得:
=
由直线截距得:
K=-
。
=
●结果与讨论
,为什么?
,即初始溶液的浓度
以及吸附平衡后的浓度都选择在合适的范围内。既要防止初始浓度过高导致出现
多分子层吸附,又要避免平衡后的浓度过低使吸附达不到饱和。如次***蓝在活
性炭上的吸附实验中原始溶液的浓度为2g·dm-3左右,平衡溶液的浓度不小于
1mg·dm-3。
,溶液吸附必须在等温条件下进行,使盛有
样品的三角瓶置于恒温器中振荡,使之达到平衡。本实验是在空气浴中将盛有样
品的三角瓶置于振荡器上振荡。实验过程中温度会有变化,这样会影响测定结果。
,滴定的体积存在一定的偏差,所以导致实验结果
1和3瓶所测得结果存在偏差,故在酸碱滴定中需要操作规范,使实验结果更精
准.
六、注意事项
,防止将正负极接错,并严格控制电镀电流。
***电极使用时请将电极帽取下,用完后用***化钾溶液浸泡。
七、思考题
、标准电池各有什么作用?如何保护及正确使用?
?它有什么功用?
?
附录SDC-Ⅲ数字电位差计
一、SDC-Ⅲ数字电位差计的特点
一体设计:将UJ系列电位差计、光电检流计、标准电池等集成一体,体积小,重量轻,
便于携带。
数字显示:电位差值七位显示,数值直观清晰、准确可靠。
内外基准:即可使用内部基准进行测量,又可外接标准作基准进行测量,使用方便灵活。
误差较小:保留电位差计测量功能,真实体现电位差计对检测误差微小的优势。
性能可靠:电路采用对称漂移抵消原理,克服了元器件的温漂和时漂,提高测量的准确
度。
二、使用条件
电源:~220V±10%;50Hz
环境:温度-10℃~40℃;湿度≤85%
三、使用方法

用电源线将仪表后面板的电源插座与~220V电源连接,打开电源开关(ON),预热15
分钟。

(1)将被测电动势按“+、-”极性与测量端子对应连接好。
(2)采用“内标”校验时,将“测量选择”至于“内标”位置,将100位旋置于1,其
余旋钮和补偿旋钮逆时针旋到底,此时“电位指标”显示为“”,待检零指示数值
稳定后,按下“采零”键,此时,检零指示应显示“0000”。
(3)采用“外标”校验时,将外标电池的“+、-”极性按极性与“外标”端子接好,将
“测量选择”置于“外标”,调节“100~10-4”和补偿电位器,使“电位指示”数值与外标
电池数值相同,待“检零指示”数值稳定之后,按下“采零”键,此时“检零指示”为“0000”。
(4)仪器用“内标”或“外标”,校验完毕后将被测电动势按“+、-”极性与“测量”端
子接好,将“测量选择”置于“测量”,将“补偿”电位器逆时针旋到底,调节“100~10-4”
五个旋钮,使“检零指示”为“-”,且绝对值最小时,再调节补偿电位器,使“检零指示”
为“0000”,此时,“电位指示”数值即为被测电动势的大小。
:首先关闭电源开关(OFF),然后拔下电源线。
四、注意事项
、干燥、无腐蚀性气体的场合。
,避免靠近发热源如电暖气或炉子等。
,请勿打开机盖进行检修,更不允许调整和更换元件,否则
将无法保证仪表测量的准确度。
,可打开旋纽盖,用备用呆扳手对准槽口拧紧
即可。