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文檔簡介
1、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)技能競賽:電池電動(dòng)勢測定的應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握對消法測定電池電動(dòng)勢的原理和方法;2熟悉SDC-A型數(shù)字電位差綜合測試儀的使用方法;3掌握通過測定可逆電池電動(dòng)勢測定電解質(zhì)的平均離子活度因子。二、實(shí)驗(yàn)原理將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置稱為原電池,簡稱電池。若這種能量的轉(zhuǎn)換是以熱力學(xué)可逆方式進(jìn)行的,則稱為可逆電池。此時(shí)電池兩極間的電勢差可達(dá)最大值,稱為該電池的電動(dòng)勢E。可逆電池應(yīng)滿足如下條件:電池在充放電時(shí),電池反應(yīng)必須可逆,亦電極、電池反應(yīng)均可逆。電池中不允許存在任何不可逆的液接界。通過電池的電流應(yīng)為無限小,保證電池的充、放電過程必須在平衡態(tài)下工作??赡骐姵仉妱?dòng)勢的測量在物理化學(xué)研究中具有
2、重要意義,應(yīng)用也十分廣泛。如測量標(biāo)準(zhǔn)電極電勢、化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)、電解質(zhì)溶液的離子活度因子、難溶鹽的活度積、溶液的pH值以及化學(xué)反應(yīng)的某些熱力學(xué)函數(shù)的改變量(,)等。利用補(bǔ)償法(即對消法)可以使電池在無電流通過(或電流無限?。r(shí),測得兩電極的電勢差,即為電池的電動(dòng)勢。當(dāng)原電池存在兩種電解質(zhì)界面時(shí),便產(chǎn)生一種稱為液體接界電勢的電動(dòng)勢,使得電池不能滿足可逆電池的條件,減少液體接界電勢的辦法常用鹽橋。1對消法測量電動(dòng)勢的原理電位差計(jì)是按照對消法測量原理而設(shè)計(jì)的一種平衡式電學(xué)測量裝置,能直接給出待測電池的電動(dòng)勢(以V表示)。對消法是用一個(gè)方向相反、數(shù)值相等的外電勢來抵消原電池的電動(dòng)勢,使連接兩電極的導(dǎo)
3、線上I®0,這時(shí)所測出的E就等于被測電池的電動(dòng)勢E。圖1是對消法測量電池電動(dòng)勢原理圖。 圖1對消法測量電池電動(dòng)勢的原理圖EW-工作電池;E X-待測電池;EN-標(biāo)準(zhǔn)電池;G-檢流計(jì);R-調(diào)節(jié)電阻;Rx-待測電池電動(dòng)勢補(bǔ)償電阻;K-轉(zhuǎn)換電鍵;RN-標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢補(bǔ)償電阻 當(dāng)換向開關(guān)K扳向“1”一方時(shí),通過調(diào)節(jié)R使G中電流為零,此時(shí)產(chǎn)生的電位降V與標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢EN相抵消,也就是說大小相等而方向相反。校準(zhǔn)后的工作電流I為某一定值I0。當(dāng)換向開關(guān)K扳向“2”一方時(shí),在保證校準(zhǔn)后的工作電流I0不變,即固定R的條件下,調(diào)節(jié)電阻Rx,使得G中電流為零。此時(shí)產(chǎn)生的電位降V與待測電池的電動(dòng)勢E X
4、相抵消。其公式為: (1) 如果知道了和EN,就能求出未知電池電動(dòng)勢EX。2溶液pH值的測定可逆電池電動(dòng)勢等于電池兩個(gè)電極電勢之差: (2)式中,、分別為正、負(fù)極的電極電勢,可由電極的能斯特方程計(jì)算而得。對任意一個(gè)給定電極,其電極反應(yīng)的通式為:氧化態(tài) + ze- 還原態(tài)式中,z為進(jìn)行上述電極反應(yīng)所需電子的物質(zhì)的量。則電極電勢的能斯特方程為: (3)式中,為該電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢。醌氫醌()電極是一種氫離子指示電極,主要用于溶液pH值的測定。為醌()與氫醌等摩爾混合物,醌氫醌為深褐色固體粉末,微溶于水。被溶解部分能完全分解為等量的醌和氫醌。 醌氫醌電極的電極反應(yīng)為: 其電極電勢為: (4)由于醌氫
5、醌是醌和氫醌的等分子復(fù)合物,在水中溶解度很小,所以在溶液中醌和氫醌的濃度相等且很低,故可認(rèn)為,則: (5)通常將待測pH值的溶液用醌氫醌飽和后,再插入一輔助電極(一般為Pt電極)就構(gòu)成了電極。電極與一個(gè)參比電極(一般為甘汞電極)相連構(gòu)成如下電池:其電池電動(dòng)勢為: (6)將式(5)代入,則: (7) (8)其中, (9) (10) 3電解質(zhì)平均離子活度因子的測定將銀電極插入AgNO3(0.1000mol·kg-1)溶液中作為正極,以飽和甘汞電極作為負(fù)極,構(gòu)成如下電池:其電池電動(dòng)勢為: (11) 其中, (12) (13) 通過測定電池電動(dòng)勢E,即可求得。三、儀器及試劑儀器:恒溫槽(SY
6、P玻璃恒溫水浴和SWQ-A智能數(shù)字恒溫控制器組成)1套 ;SDC-A型數(shù)字電位差綜合測試儀1臺;標(biāo)準(zhǔn)電池1個(gè);飽和甘汞電極 1支;銀電極1支;鉑電極1支;鹽橋2個(gè);100ml燒杯4個(gè)。 試劑: 醌氫醌;飽和KCl溶液 ;未知pH值溶液;0.1000mol·kg-1的AgNO3溶液。四、實(shí)驗(yàn)步驟1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備(1)接通SDC-A型數(shù)字電位差綜合測試儀的電源,面板圖如圖2所示,打開面板上電源開關(guān)(ON),預(yù)熱10min。圖2 SDC-A型數(shù)字電位差綜合測試儀(2)接通恒溫槽電源,調(diào)節(jié)恒溫槽溫度為30,誤差為±0.1。(3)按下面的電池圖式將電池1和電池2準(zhǔn)備好。電池1:將未知pH值
7、溶液倒入小燒杯中(1/3杯),再加入少量(約綠豆大?。┑男褮漉勰?,攪拌使之充分溶解達(dá)飽和,且保持溶液中有少量固體,然后插入鉑電極組成電池的正極。將飽和KCl溶液倒入小燒杯中(1/3杯),然后插入飽和甘汞電極組成電池的負(fù)極,兩電極中間插入鹽橋,電池1準(zhǔn)備完畢,將電池1放在30的恒溫槽中恒溫10分鐘。電池2: 將0.1000mol·kg-1的AgNO3溶液倒入小燒杯中(1/3杯),然后插入銀電極組成電池的正極。將飽和KCl溶液倒入小燒杯中(1/3杯),然后插入飽和甘汞電極組成電池的負(fù)極,兩電極中間插入鹽橋,電池2準(zhǔn)備完畢,將電池2放在室溫即可。2標(biāo)準(zhǔn)電池的校正(以外標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行測量)(參見實(shí)驗(yàn)講義第四章p227228)3按理論值計(jì)算各電池的電動(dòng)勢 測定每組電池電動(dòng)勢之前,要將電位差綜合測定儀上的電勢讀數(shù)(V)調(diào)整到電動(dòng)勢的計(jì)算值附近后,再進(jìn)行精密測量。4測量電池1在指定溫度下的電動(dòng)勢(參見實(shí)驗(yàn)講義第四章p227228)測量電池1在30時(shí)的電動(dòng)勢,要求對電動(dòng)勢測量三次取平均值,相鄰兩次的測量值之差在0.0005V之內(nèi),否則隔2min后重測。5測量電池2在室溫下的電動(dòng)勢測量電池2在室溫下的電動(dòng)勢,操作步驟與電池1相同。6實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)上各儀器電源,將電極和鹽橋用蒸餾水冼凈擦干放好。五、數(shù)據(jù)記錄及處理 1將所測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入下表中。室溫 大氣壓 kpa表1 電動(dòng)勢E實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表
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