原电池电动势的测定实验报告

实验九原电池电动势的测定及应用

一、实验目的

1．测定Cu-Zn 电池的电动势和Cu、Zn 电极的电极电势。

2．学会几种电极的制备和处理方法。

3．掌握SDC-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96500 C 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，

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 4 (m 1) CuSO 4 (m 2 ) Cu(s)

符号“｜ ”代表固相( Zn 或 Cu )和液相( ZnSO 4或CuSO 4 )两相界面； “‖”代表连通两 个液相的 “盐桥 ”； m 1和m 2分别为 ZnSO 4和 CuSO 4的质量摩尔浓度。

当电池放电时，

负极起氧化反应： Zn(s) ? Zn 2 (a Zn 2 ) 2e 正极起还原反应： Cu 2 (a Cu 2

) 2e ? Cu(s)

电池总反应为：

Zn(s) Cu 2 (a Cu 2

) ? Zn 2 (a Zn 2

) Cu(s)

电池反应的吉布斯自由能变化值为：

a

Zn 2 a

Cu

G G RTln Zn Cu (9-2) a

Cu 2 a

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 Cu a Zn 1

。而在标态时， a Cu 2 a Zn 2 1 ，则有：

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：

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：

9-5)

对铜 -锌电池而言

EE

RT ln a

Zn 2 nF

a Cu

2

9-4)

采用电位计

2

Cu ,Cu

RT 1

ln 2F a Cu

2

9-6)

式中

Cu 2 ,Cu 和 Zn 2 ,Zn

是当

a Cu 2

a Zn 2

1 时，铜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 Zn 2

m 1 a Cu

2

m 2

（ 9-9）

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

101325 Pa ，溶液中氢离子活度为 1

时的电极电势规定为零伏， 即 H ,H 0 ，称为标准氢电极， 然后与其它被测电极进行比较。

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 的参比电极有甘汞电极。

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 （0.01000mol dm 3） Cu （0.1000mol 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 T 。为了比较方便起见，可采用下式求出 298K 时的标准电

Zn 2 , Zn

RT

2F ln a

Zn 2

9-7)

9-8)

极电势

298 K

。

T 298K

(T 298K ) 1

(T 298K )2

2

式中 、 为电极电势的温度系数。对于 Cu-Zn 电池来说：

铜电极 (Cu 2 , Cu), 0.016 10 3V K 1, 0

锌电极 [Zn 2 , Zn(Hg )],

0.100 10 3V K 1,

0.62 106V K

四、实验步骤

1．电极的制备

（1）锌电极：将锌电极在稀硫酸溶液中浸泡片刻，取出洗净，再浸入汞或饱和硝酸亚汞

溶液中约 10s ，表面上即生成一层光亮的汞齐， 用水冲洗晾干后， 插入 mol kg 1 ZnSO 4 中待 用。

（2）铜电极：将铜电极在 6mol dm 3 的硝酸溶液中浸泡片刻，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 20 mA 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，洗净后放入 mol kg 1 CuSO 4 中备用。

2．电池组合

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

三、仪器和试剂

SDC-Ⅲ电位差计 1 台；

电镀装置 1 套； 标准电池

1 个； 饱和甘汞电极 1

支； 电极管 2 支； 电极架 2 个；

镀铜溶液； 饱和硝酸亚汞（控制使用） ； 硫酸锌（分析纯） ； 铜、锌电极； 硫酸铜（分析纯） ； 氯化钾（分析纯） 。

置于小烧杯内，即成 Cu-Zn 电池：

Zn(s) ZnSO 4(0.1000mol kg 1) CuSO 4 (0.1000mol kg 1 ) Cu(s) 电池装置如图 9-2 所示。

同法组成下列电池： 11

Cu(s) CuSO 4 (0.01000mol kg 1) CuSO 4(0.1000mol kg 1) Cu(s) Zn(s) ZnSO 4(0.1000mol kg 1) KCl (饱和) Hg 2Cl 2(s) Hg(l)

Hg(l) Hg 2Cl 2 (s) KCl (饱和) CuSO 4(0.1000mol kg 1) Cu(s) 3．电动势的测定

(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。

23

E t /V E 20 /V [40.6(t / C 20) 0.95(t / C 20)2 0.01(t / C 20)3] 10

(3) 分别测定以上电池的电动势。

五、数据记录及处理

1.将试验数据列表。

标准溶液 NaoH 浓度为 L

V NaoH(mL) V HAc(mL) C HAc(mol/L)

C HAc(mol/L)平均

可变电阻

0-50

铜 电极

铜棒

图 9-1 制备铜电极的电镀装置 图 9-2 Cu-Zn 电池装置示意图

2.计算各瓶中醋酸的起始浓度c0，平衡浓度c 及吸附量?（mol? kg－1）计算结果如上

表。

由计算吸附量。

3．吸附量对平衡浓度作等温线。

4.作c/?-c 图，并求出和常数K。

由直线斜率得:

由直线截距得：

K=

5.由计算活性炭的比表面。

=

? 结果与讨论

1.比表面测定与哪些因素有关，为什么

a. 测定固体比表面时所用溶液中溶质的浓度要选择适当，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。如次甲基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。

b. 按朗格谬尔吸附等温线的要求，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。

2.由于实验酸碱滴定过程中，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

1．制备电极时，防止将正负极接错，并严格控制电镀电流。2．甘汞电极使用时请将电极帽取下，用完后用氯化钾溶液浸泡。

七、思考题

1．电位差计、标准电池各有什么作用如何保护及正确使用

2．参比电极应具备什么条件它有什么功用3．若电池的极性接反了有什么后果

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

1．开机

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。

2．以内标或外标为基准进行测量

(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。

3．关机：首先关闭电源开关( OFF)，然后拔下电源线。

四、注意事项

1．置于通风、干燥、无腐蚀性气体的场合。

2．不宜放置在高温环境，避免靠近发热源如电暖气或炉子等。

3．为了保证仪表工作正常，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。

4．若波段开关旋纽松动或旋纽指示错位，可打开旋纽盖，用备用呆扳手对准槽口拧紧

即可。