實驗六原電池電動勢的測定及其應(yīng)用--note

1、實驗六 原電池電動勢的測定及其應(yīng)用一、 目的與要求1、 測定ZnCu電池的電動勢和Cu、Zn電極的電極電勢；2、 學(xué)會一些電極的制備和處理方法；3、 掌握電位差計的測量原理和正確使用方法。二、 基本原理原電池由正、負(fù)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(yīng)，負(fù)極則發(fā)生氧化反應(yīng)，電池反應(yīng)是電池反應(yīng)中所有反應(yīng)的總和。電池除作電源外，還可用它來研究構(gòu)成此電池的化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)。從化學(xué)熱力學(xué)得知，在恒溫、恒壓、可逆條件下，電池反應(yīng)有以下關(guān)系：GnFE （61） 式中G是電池反應(yīng)的吉布斯自由能增加；n為電極反應(yīng)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，測定電池的電動勢

2、E后，便可求得G，進(jìn)而又可求得其他熱力學(xué)參數(shù)。但須注意，首先要求被測電池反應(yīng)本身是可逆的，即要求電池的電極反應(yīng)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(zhǔn)平衡狀態(tài)下進(jìn)行，此時只允許有無限小的電流通過電池。因此在用電化學(xué)方法研究化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)時，所設(shè)計的電池應(yīng)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”來減少液接界電勢。為了使電池反應(yīng)在接近熱力學(xué)可逆條件下進(jìn)行，一般均采用電位差計測量電池的電動勢。原電池電動勢主要是兩個電極電勢的代數(shù)和，如能分別測定出兩個電極的電勢，就可計算得到由它們組成的電池電動勢。由（61）式可推導(dǎo)出電池

3、電動勢的表達(dá)式。下面以鋅銅為例進(jìn)行分析。電池表示式為： Zn ZnSO4 CuSO4 Cu符號“”代表固相（Zn或Cu）和液相(ZnSO4或CuSO4)兩相界面；“”代表連通兩個液相的“鹽橋”。當(dāng)電池放電時：負(fù)極起氧化反應(yīng) Zn Zn 2e-正極起還原反應(yīng) Cu2e Cu-電池總反應(yīng)為 Zn Cu ZnCu電池反應(yīng)的吉布斯自由能變化值為： （62）上述式中G為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時自由能的變化值；a為物質(zhì)的活度，純固體物質(zhì)的活度等于1，則有：a（Zn）a（Cu）1 （63）在標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時， G G -nFE （64）式中E為電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢。由（2101）至（2104）式可解得： （65）對于任一電池，其電動勢

4、等于兩個電極電勢之差值，其計算式為：E (右·還原電勢) （左·還原電勢） （66）對鋅銅電池而言， 式中 和 是當(dāng)a（Cu）=a（Zn）=1時，銅電極和鋅電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢。對于單個離子，其活度是無法測定的，但強(qiáng)電解質(zhì)的活度與物質(zhì)的平均質(zhì)量摩爾濃度和平均活度系數(shù)之間有以下關(guān)系： （69） （610） 是離子的平均離子活度系數(shù)。其數(shù)值大小與物質(zhì)濃度、離子的種類、實驗溫度等因素有關(guān)。在電化學(xué)中，電極電勢的絕對值至今無法測定，通常將氫電極在氫氣壓力為101325Pa，溶液中氫離子活度為1時的電極電勢規(guī)定為零伏，稱為標(biāo)準(zhǔn)氫電極，然后與其他被測電極進(jìn)行比較。由于使用標(biāo)準(zhǔn)氫電極不方便

5、，在實際測定時往往采用第二級的標(biāo)準(zhǔn)電極。甘汞電極（SCE)是其中最常用的一種。以上所討論的電池是在總反應(yīng)中發(fā)生了化學(xué)變化，因而被稱為化學(xué)電池。還有一類電池叫濃差電池，這種電池在凈作用過程中，僅僅是一種物質(zhì)從高濃度（或高壓力）狀態(tài)向低濃度（或低壓力）狀態(tài)轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生電動勢，而這種電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢E等于零伏。例如電池 就是濃差電池的一種。電池電動勢的測定工作，必須在電池處于可逆條件下進(jìn)行，因此根據(jù)對消法原理（在外電路上加一個方向相反而電動勢幾乎相等的電池）設(shè)計了一種電位差計，以滿足測量工作的要求。本實驗是在實驗溫度下測得的電動勢 ，可由（2107）和（2108）式計算，由 式求出298K時的標(biāo)準(zhǔn)

6、電極電勢 。式中，為電池電極的溫度系數(shù)。對ZnCu電池來說：銅電極（） 鋅電極（）三、 儀器 試劑數(shù)字式電位差計 鍍銅溶液滑動變阻器 硫酸鋅溶液（ 0.1000 mol.L ）毫安表 硫酸銅溶液（ 0.1000 mol.L ）電線若干 飽和氯化鉀溶液飽和甘汞電極 鹽橋， 100ml燒杯 硫酸（ 6 mol.L ） 硝酸（ 6 mol.L ）四、 實驗步驟1、 電極制備銅電極：取寬度為1cm的銅片兩片（因為要測濃差電池，所以要電鍍兩銅片），寬度為2cm的銅片1片放在盛有6N硝酸的小燒杯內(nèi)浸洗，除去氧化層，然后用水沖洗，再用蒸餾水淋洗，最后用濾紙吸干。將1cm寬的兩銅片置于盛有鍍銅溶液的100ml

7、燒杯作負(fù)極（交叉放），直接接到臺面上的黑色旋鈕上，將2cm寬的一銅片置于同一燒杯中作正極，順序接毫安表，滑動變阻器的下端，串聯(lián)在電上端接到臺面上的紅色旋鈕上。電流密度控制在20ma·cm 2為宜，（由于兩個1cm銅片分別有2cm2，加起來是4cm2，又有正反兩面，總共是8 cm2，整個電鍍的電流密度就是160 ma），電鍍30分鐘。注意：a. 正負(fù)極要隔開大概兩厘米左右，b. 所有組接好電路后開總閘。c. 電鍍后銅片上應(yīng)該有一層亮亮的銅，如果鍍的太多，銅片會顯得深一些。d. 電鍍期間可以測. （飽和）電池的電動勢。e. 電鍍的燒杯要用100ml的。鋅電極：用6mol·L-1

8、硫酸浸洗鋅片，以除去表面上的氧化層，取出后用水洗滌，再用蒸餾水淋洗，最后用濾紙吸干。2電池組合：把甘汞電極（在實驗臺的架子上，用之前去掉黑色帽子）放入裝有飽和氯化鉀溶液的50ml小燒杯內(nèi)做負(fù)極，把鋅電極放入裝有硫酸鋅的50ml小燒杯內(nèi)做正極，用鹽橋把兩個小燒杯連接起來，即成下列電池：（飽和）同法分別組成下列電池進(jìn)行測量：（飽和）3電動勢測定（數(shù)字式電位差計的使用）按照電位差計說明書的步驟進(jìn)行操作，分別測定以上四個電池的電動勢。選用內(nèi)標(biāo)法，先進(jìn)行校正，校正后測量，使得顯示的電流值是接近于零的負(fù)數(shù)，整個過程有顯示一個小的負(fù)數(shù)就可以記錄電壓的值，左邊表示的是電壓值，右邊表示的是整個電路的電流值，一定在15分鐘內(nèi)測完，最好十分鐘以內(nèi)，以防電極氧化）五、數(shù)據(jù)處理1記錄實驗溫度，根據(jù)飽和甘汞電極的電極電勢溫度校正公式，計算實驗溫度下的電極電勢： （ 611）2根據(jù)測定的電池（飽和），（飽和）的電動勢，分別計算銅、鋅電極的具體解法：先講的計算。a 通過測得電池（飽和）的電動勢E1，和（由6-11算的）求得；b 再由公式求得c 最后由公式，求得的計算a 通過測得電池（飽和）的電動勢E2，和（由6-11算的）求得b 再由公式求得c 最后由公式，求得根據(jù)所求算的，分別跟和相比。3根據(jù)有