电池电动势的测定——实验报告

原电池电动势的测定实验目的1.测定Cu—Zn电池的电动势和Cu、Zn电极的电极电位。2.了解可逆电池、可逆电极、盐桥的概念。3.学会一些电极的制备和处理方法。4.掌握电位差计的测量原理和使用方法。5.掌握简易电位差计的组装和使用。实验原理Daniell电池Zn|ZnSO4(C1)||CuSO4(C2)|Cu负极反应Zn→Zn2+(αZn2+)+2e-正极反应Cu2+(αZn2+)+2e-→Cu总电池反应Zn+Cu2+(αCu2+)→Zn2+(αZn2+)+Cu反应的ΔrGm为ΔrGm=ΔrGΘm+RTln(αZn2+/αCu2+)ΔrGm=-nFEΘE=EΘ-RT/2Fln(αZn2+/αCu2+)E=φ+-φ-φ+=φΘCu2+-RT/2Fln(1/αCu2+)φ-=φΘZn2+-RT/2Fln(1/αZn2+)仪器与药品晶体管直流稳压电源1台，电阻箱(9999.9Ω)3个，指针检流计(10A)1台，双刀双掷开关1个，单刀双掷开关(带保护电阻)1个，标准电池1个，甘汞电极1个，铜电极2支，锌电极1支，电极管4支，50ml烧杯4只，饱和KCl溶液，0.1000mol*L-1CuSO4溶液，0.0100mol*L-1CuSO4溶液，0.1000mol*L-1ZnSO4溶液，待测半电池若干个。实验步骤1.按图接好线路，将R4调在1018.6Ω，R3调在581.4Ω，使R3+R4=1600Ω，接通直流稳压电源，双刀双掷开关掷向标准电池一边调节R2至检流计不偏转为止。2.接上待测电池，双刀双掷开关掷向待测电池一边，R2保持不变，调整R3及R4。直到检流计指针不偏转为止，记下读数。注意：在调整R3及R4时。应使R3+R4应使等于1600Ω。将双刀双掷开关掷向待测电池一边，再次复查检流计是否偏转，若不偏转上述测定值可以使用，若有偏转须重调R2使之不偏转，然后掷向待测电池一边重复测定。3.换接其他待测电池进行测量。数据处理1.按饱和甘汞电极电位的温度校正公式：Et=0.242-7.6E-4*(t-25)(V)计算室温时的饱和甘汞电极电位。室温t=19.5℃Et=0.24618V2.计算电池电动势理论值：计算时物质浓度要用活度表示，浓度、温度、离子种类不同，γ±的数值不同。α=γ*C浓度0.1000mol*L-10.0100mol*L-1CuSO4γ±0.16000.40ZnSO4γ±0.150.387由Nernst方程：φ=φΘ+RT/2Fln([氧化型]/[还原型])E=φ+-φ-ΔrGm=-nFEΘφ+=φΘCu2+-RT/2Fln(1/αCu2+)φ-=φΘZn2+-RT/2Fln(1/αZn2+)R=8.314J*mol-1*K-1T=292.65KF=96485C*mol-1饱和甘汞电极Et=0.24618VφΘ[Cu2+|Cu]=+0.34VφΘ[Zn2+|Zn]=-0.76V室温下标准电池校正：Et=1.0186*(1-(4.06E-6)*(19.5-20)-(9.5E-7)*(19.5-20)^2)=1.018601826VRt=1018.6ΩEx=R4*Et/RtR2=3659.3VEW=5VR总=5259.3ΩE1=R4*Et/RnE2=EW*R4/R总下列原电池的电动势：1.Zn|ZnSO4(0.1000mol*L-1)||CuSO4(0.1000mol*L-1)|Cu2.Cu|CuSO4(0.0100mol*L-1)||CuSO4(0.1000mol*L-1)|Cu3.Zn|ZnSO4(0.1000mol*L-1)||KCl(饱和)|Hg2Cl2|Hg4.Hg|Hg2Cl2|KCl(饱和)||CuSO4(0.1000mol*L-1)|Cu原电池φ+/Ωφ-/ΩR4/ΩE计算/VE测量1/VE测量2/VΔrGm,/KJ/molΔrGm测量/KJ/mol10.310967-0.798031077.61.0999971.0776019321.02447-212.266-207.94520.3109670.28193519.20.0290320.0192000340.01825-5.6023-3.7050330.24618-0.798031036.61.044211.0366018580.01825-201.501-200.03340.3109670.2461848.60.0647870.04860.04620-12.5019-9.37834思考题1.在测量电动势的过程中，若检流计指针总是朝向一个方向偏转，可能是什么原因？待测电池正负极接反，实验开始时检流计没调零，补偿电阻R4过大或过小。2.为何测电动势要用对消法？对消法的原理是什么？可逆电池必须满足条件之一是通过电池电流为无限小，在电池内阻上要产生电位降，从而使得两极间的电位差较电池电动势为小。因此，只有在没有电流通过电池时两电极的电位差才与电池电动势相等。所以不能直接用伏特计来测量一个可逆电池的电动势，就是因为使用伏特计时必然有限的电流通过回路才能驱动指针旋转所的结果必然不是可逆电池电动势，而是不可逆电池两极间的电位差。一般用对消法测可逆电池的电动势，常用的仪器为电位差计，电位差计是按对消法测量原理而设计的一种平衡式电压测量仪器，它与标准电池、检流计等相配合，成为电压测量的基本仪器。右图是对消法测量原理示意图，其中Ew是工作电池；R2、R3、R4是电阻箱；Et是标准电池；Ex是待测电池；G是检流计；K是转换开关。由右图可知，一台较完善的电位差计基本上由三个回路(工作电流回路、标准电流回路和测量回路)组成。工作电流回路，也叫电源回路，从工作电池正极开始经工作电流调节电阻箱R2，再经电阻箱R4及R3，回到工作电池负极，它的作用是借助于调节R2使在R3及R4上产生一定的电位降。标准回路：是校准工作电流的回路。从标准电流的正极开始(当双刀双掷开关8与Et接通时)经检流计，再经Rt(R4)，回到标准电池负极，它的作用是校准工作电流以标定Rt上的电位降。借助于调节R2。使检流计中G电流为零IG=0，此时，I*Rt=Et，Rt上的电位降与标准电池的电动势Et相对消，大小相等而方向相反。工作电流I=Et/Rt。测量回路：从待测电池的正极开始(当双刀双掷开关8与EX接通时)，经电阻箱R4、检流计，回到待测电池负极，它的作用是用定好的R4的电位降来测量未知电池的电动势，再保持校准后的工作电流I不变(即R2固定,R3+R4应使等于1600Ω)的条件下，在调整R3及R4,使检流计G中的电流为零。IG=0，从而I*R4=Ex，使R4上电位降与待测电池的电动势Ex相对消，大小相等而相反。由此可见，因工作电流相同，则：Ex=I*R4=R4*Et/Rt实验讨论1.应用对消法测量电动势有下列优点在两次平衡中指零仪都指零，没有电流通过它，也就是说，电位差计既不从标准电池中吸取能量，也不从被测电池中吸取能量。这表明标准电池的电动势Et的测量中仅作为电动势的参考标准，而且测量时并不改变被测对象的状态，即被测电动势能高度准确的保持其原有得数值；不需要测出线路中所通过电流I的数值，只需测得Rt与Rx的值就可以了；测量结果的准确性是依赖于电动势Et即被测电动势的补偿电阻Rx与标准电池的补偿电阻Rt的比值的准确性，由于标准电池及电阻Rx，Rt都可以制造达到较高的精度，再与高灵敏度的检流计配合。使测量结果极为准确。2.连接电路时正极一端用红线，负极一端用黑线，方便判断正负极，防止接入待测电池时正负极反接；保护电阻可以在检流计指针偏转幅度很大时接入，减小指针偏转，指针偏转变小后，将其去掉；指针电极处理后，需洗净、干燥；测量过程中若出现检流计受到冲击时，应迅速按下“短路”按钮，以保护检流计；在测量过程中应经常校核工作电流是否正确；检流计不用时要短路，不要浪费电池，按旋钮时间要短，不超过1s，防止过多电流通过电池，造成极化现象，破坏电池的电化学可逆状态；计算时考虑T对实验结果的影响，因数据太小，处理时要保持4位，减少误差。3.E1=R4*Et/RnE2=EW*R4/R总两种计算电动势的方法，因为EW=5V是一个很不准的数据，所以用计算E2=EW*R4/R总得到的待测电池的电动势很不准，不能用其计算。4.本实验四个电池电动势测量值与计算值间的相对误差Er分别为-2.0359％-33.845％-0.72878％-24.9849％，待测电池的电动势越小测量误差越大。这主要是和检流计的灵敏度有关，以及读数时的偶然误差等。5.原电池电动势的测定实验，电池体系多为用铜、锌或Hg－Hg2Cl2电极及相应电解液组成的电池。采用这类电极的电池存在着若干缺点：1、电极必须用对人体及环境有害的汞或亚汞处理；2、电池难以实现恒温；3、铜电极的电极电势复现性差(无论是用镀铜电极或砂纸擦过的铜棒或用约5%的铜汞齐都存在此现象)。下面是搜到的改进方法用稀硫酸（约2mol/L)洗涤锌粉和铜粉，以除去表面的氧化物，然后用蒸馏水反复洗涤，直至洗涤后的蒸馏水为中性。接着于锌粉和铜粉瓶中加入适量纯汞（为防止锌粉和铜粉接触空气后生成氧化层，以及汞的挥发，在上述瓶内须留有少量蒸馏水），瓶口用塑料布密封，置330-350K温度下2-3小时，制得锌和铜的饱和汞齐溶液（温度降至室温时，锌和铜分别与其汞齐溶液平衡共存）。测量值与计算值间的相对误差均小于士0.5%（铜汞齐和锌汞齐电极由教师一次制成）。