不同浓度硫酸铜溶液电极电势的测定

不同浓度硫酸铜溶液电极电势的测定
XXX
XX学院化学化工学院XX化学班
摘要：由于电极电势的大小不仅与电极的种类、溶液的浓度等因素有关、还与电池所处的温度密切相关。

本实验使用不同浓度硫酸铜溶液作为铜电极的电极溶液，采用对消法测定Cu电极-饱和甘汞电极组成的电池的电动势，根据能斯特方程计算实验条件下的铜电极的电极电势，并与理论值进行比较。

实验结果表明，实验值与实验温度下的理论值十分接近。

关键词：电极电势；测定；对消法；硫酸铜溶液
前言
电动势的测量方法，在物理化学研究工作中具有重要的实验意义，通过电池电动势的测量可以获得还原体系的许多热力学数据。

如平衡常数，电解质活度，解离常数，溶解度，络合常数，酸碱度以及某些热力学函数改变量等。

[1]但在电化学中，电极电势的绝对值至今无法测量，在实际测量中是以标准氢电极的电极电势作为零标准，然后将其它被测的电极（被研究电极）与它组成电池，测量该电动势即为该被测电极的电极电势。

由于使用标准氢电极不方便，在实际测定时常采用第二级的标准电极，甘汞电极(SCE)是其中最常用的一种。

[2]测量电池电动势必须在电池处于可逆条件下进行。

通过因此需用对消法来测定电动势。

对消法测定电动势就是在所研究的电池的外电路上加一个方向相反的电压。

当两者相等时，电路的电流为零，此时测得的电势降为电池真正的电动势。

[3][4][5]
1实验部分
1.1仪器试剂
UJ-25型电位差计1台；检流计1台；
低压直流电源1台；标准电池1只；
干电池（1.5V）2节；铜电极1支；
甘汞电极1支电极管1只；
电极架1只；电线若干；
烧杯（100mL）6个；容量瓶（50.00mL）5个
硫酸铜溶液(0.50mol•L-1)；氯化钾（分析纯）
1.2实验步骤
1.2.1 配制不同浓度的CuSO4溶液
将0.50mol/L的CuSO4溶液分别配制成0.40mol/L、0.30mol/L、0.20mol/L、
0.10mol/L共计五个不同浓度的溶液作为铜电极的电极溶液
1.2.2 制备饱和氯化钾溶液
加入适量的氯化钾固体于100mL蒸馏水中，加热搅拌至完全溶解，冷却至室温，溶液有晶体析出制得饱和氯化钾溶液。

1.2.3待测电极的组装
将饱和KCl溶液注入50mL的小烧杯中作为盐桥,将铜电极和饱和甘汞电极置于小烧杯内,即成Cu-甘汞电池,
Hg|Hg2Cl2|KCl(饱和) ‖CuSO4 (xmol•L-1) |Cu
1.2.4 电池电动势的测定
1.2.4.1 按照电位差计电路图，接好电动势测量路线；
1.2.4.2根据标准电池的温度系数，计算实验温度下的标准电动势。

以此对电位差
计进行标定；
（1）标准电池电动势的温度校正
由于标准电池电动势是温度的函数，所以调节前须首先计算出标准电池电动势的准确值。

常用的镉-汞标准电池电动势的温度校正公式为：
℃－20)+0.929(t/℃－20)2－0.0090(t/℃－20)3+0.00006(t/℃
－20)4]×10-6
式中E t为温度为t时标准电池的电动势；t为测量时室内温度；E20为20℃时标准电池的电动势（E20=1.018 45V）。

调节“标准电池温度补偿旋钮”，使其数值与标准电池电动势值一致。

其中的两旋钮数值分别对应着E t数值的最后两位。

(2)电位差计的标定
将“换向开关”扳向“N”（校正），然后断续地按下“粗”、“细”按钮，视检流计光点的偏转情况，依“粗、中、细、微”的顺序旋转“工作电流调节旋钮”，通过可变电阻的调节，使检流计光点指示零位，至此电位差计标定完毕。

此步骤即是调节电位差计的工作电流。

（3）未知电动势的测量
将“换向开关”扳向“X1”或“X2”（测量），与上述操作相似，断续地按下“粗”、“细”按钮，根据检流计光点的偏转方向，旋转各“测量旋钮”（顺序依次由I~VI）至检流计光点指示零位。

此时，六个测量档所示电压值总和即为被测量电动势E x。

1.2.4.3 分别测定以上五个电池的电动势
2.结果与讨论
2.1原始数据记录
2.1.1室温：28.30℃大气压：1000.3hPa
2.1.2根据温度校正公式，
E t=E20-[39.94(t-20)+0.929(t-20)2-0.0090(t-20)3+0.00006(t-20)4]×10-6
计算求得标准电池电动势的准确数值为E28.30=1.01806V
2.2数据处理
表1 不同浓度硫酸铜溶液的电动势
C(CuSO 4)/mol ·L -1
原电池电动势/V
平均电动势/V
1 2 3 0.10 0.046282 0.046172 0.046117 0.046190 0.20 0.053378 0.053356 0.053338 0.053357 0.30 0.057011 0.057240 0.057200 0.057150 0.40 0.060516 0.060484 0.060334 0.060445 0.50
0.063394
0.063452
0.063490
0.063445
2.2.1 根据饱和甘汞电极的电极电势温度校正公式
SCE ϕ/V=0.2438-6.5×10-4(T/K-298)
实验温度29.00℃时，计算得饱和甘汞电极的电极电势：0.2412V
表2 不同硫酸铜溶液测得的原电池电极电势与理论电极电势的比较
m(CuSO 4)
/mol ·kg -1
I
/mol
·kg -1 γ±
a ±
a Cu 2+
φ测/V
φ理论/V
相对误
差/%
0.1 0.4 0.1626 0.0163 0.0163 0.2864 0.2874 0.3 0.2 0.8 0.1093 0.0219 0.0219 0.2903 0.2946 1.5 0.3 1.2 0.0862 0.0259 0.0259 0.2924 0.2984 2.0 0.4 1.6 0.0729 0.0292 0.0292 0.2940 0.3016 2.5 0.5
2.0
0.0642
0.0321
0.0321
0.2953
0.3046
3.1
理论值：φθC u 2+/Cu =0.340V 相关计算公式：
m(CuSO 4)=n(CuSO 4)/m(H 2O) I=0.5×[m(Cu 2+)×4+m(SO 42-)×4] lgγ±=-0.509｜2×(-2)｜[I 1/2/（1+I 1/2）] a ±=γ± m(CuSO 4) a Cu 2+=α± φ理论=E+
SCE ϕ φ测=φθCu 2+/Cu
— Cu
1ln 22+
F RT
2.3讨论
2.3.1从表1、表2看测得的原电池电动势随着硫酸铜溶液浓度的增加而增加，这是由于铜电极的电极电势随着溶液的浓度增大而变大；
2.3.2.引起误差的可能因素为：
a.在每次测量操作的前、后都不是每一次都进行电位差计的标定操作，按照标定—测量—标定的步骤进行。

在标定与测量的操作中，可能遇到电流过大、检流计受到“冲击”的现象。

b.由于检流计光标较难调节，每组测量时间较长，工作回路中电流会发生变化，从而影响测量结果；
c.室验室温度的变化对实验结果有影响；
d.实验仪器本身的误差；实验仪器有晃动，影响实验结果。

3.结论
本实验采用对消法测定Cu-饱和甘汞电极组成的电池的电动势，求得0.10、0.20、0.30、0.40、0.50mol·L-1CuSO4溶液下测定的铜电极的电极电势分别为0.2874V、0.2903V、0.2924V、0.2940V、0.2953V，相对误差分别为0.3%、1.5%、2.0%、2.5%、03.1%，相对误差较小。

实验表明，铜电极的电极电势随着溶液的浓度增大而变大，电极的溶液浓度对电极电势有影响。

参考文献：
[1]《物理化学实验讲义》,肇庆学院化学化工学院物理化学教研组编；
[2]袁誉洪主编科.《物理化学实验》，学出版社；
[3]王郁萍,高农.原电池电动势测量仪的研制[J]哈尔滨建筑大学学报,1999,4:125-126
[4]张茂清.微型实验测定原电池电动势的研究[J]西南师范大学学报（自然科学
版）,1992,12:534-538
[5]陶永元,舒康云.物理化学实验教学改革思想[J]广西师范学院学报（自然科学版）
2004,10:48-50。