物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)-電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定與應(yīng)用華南師范大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院合作 : 指導(dǎo)老師：林曉明一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握電位差計(jì)的測(cè)量原理和原電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定方法； 加深對(duì)可逆電池，可逆電極、鹽橋等概念的理解； 測(cè)定電池（I）及電池（n）的電動(dòng)勢(shì)； 了解可逆電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 用對(duì)消法測(cè)定原電池電動(dòng)勢(shì)：原電池電動(dòng)勢(shì)不能能用伏特計(jì)直接測(cè)量， 因?yàn)殡姵嘏c伏特計(jì)連接后有電流通過(guò)， 就會(huì)在 電極上發(fā)生極化，結(jié)果使電極偏離平衡狀態(tài)。 另外，電池本身有內(nèi)阻， 所以伏特計(jì)測(cè)得的只 是不可逆電池的端電壓。 而測(cè)量可逆電池的電動(dòng)勢(shì)，只能在無(wú)電流 （或極小電流） 通過(guò)電池 的情況下進(jìn)行，因此采用對(duì)消法（又叫補(bǔ)償法）。

2、對(duì)消法是在待測(cè)電池上并聯(lián)一個(gè)大小相等、 方向相反的外加電源， 這樣待測(cè)電池中沒(méi)有 電流通過(guò)，外加電源的大小即等于待測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)使用的電動(dòng)勢(shì)測(cè)量?jī)x器是 SD（型數(shù)字電位差計(jì)，它是利用對(duì)消法原理設(shè)計(jì)的。2. 原電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定：電池的書(shū)寫(xiě)習(xí)慣是左方為負(fù)極，右方為正極。負(fù)極進(jìn)行氧化反應(yīng)，正極進(jìn)行還原反應(yīng)。 如果電池反應(yīng)是自發(fā)的，則電池電動(dòng)勢(shì)為正。符號(hào)“ |”表示兩相界面， “| ”表示鹽橋。在電池中， 電極都具有一定的電極電勢(shì)。 當(dāng)電池處于平衡態(tài)時(shí)， 兩個(gè)電極的電極電勢(shì)只差就等于該可你電池的電動(dòng)勢(shì)，規(guī)定電池的電動(dòng)勢(shì)等于正、負(fù)電極的電極電勢(shì)之差，即E= $ +- -根據(jù)電極電位的能斯特方程，有

3、+ -RT/ZF ln（ a 還原/ a 氧化）O_ -RT/ZF- ln（ a還原/ a氧化）電池（I） Hg|Hg2Cl2（s）|KCI（飽和）II AgN03L）|Ag負(fù)極反應(yīng)：Hg + C-（飽和）1/2Hg2C2 + e-正極反應(yīng)：Ag+ + e-Ag總反應(yīng)：Hg + Cl （飽和）+ Ag+1/2Hg 2Cl2 + Ag根據(jù)電極電位的能斯特公式，正極銀電極的電極電位：e0 Ag/Ag+ = $ Ag/Ag+ + lg ag+e其中$ Ag/Ag+ =-（t-25）又因AgNO3濃度很稀，a Ag+疋Ag+=負(fù)極飽和甘汞電極電位因其氯離子濃度在一定溫度下是個(gè)定值，故其電極電位只與溫度

4、有關(guān)，其關(guān)系式：$飽和甘汞=-（t - 25）而電池電動(dòng)勢(shì) E= $+ - $ -;可以算出該電池電動(dòng)勢(shì)的理論值。與測(cè)定值比較即可。3電動(dòng)勢(shì)測(cè)定的應(yīng)用：求溶液的pH值，通常將醌氫醌電極與飽和甘汞電極組成原電池，測(cè)定其電動(dòng)勢(shì)，則溶液的pH值可求。電池（H） Hg|Hg2Cl2|KCl （飽和）|H + （L HAc+L NaAC Q QH2|Pt醌氫醌是一種暗褐色晶體，在水中溶解度很小，在水溶液中依下式部分溶解。C6H4O2 C6H4（OH）2 （醌氫醌）=G6H4O2（醌）+C6H4（OH）2（氫醌）在酸性溶液中，對(duì)苯二酚解離度極小，因此醌與對(duì)苯二酚的活度可以認(rèn)為相同，即 仏醌=a氫醌。醌氫醌

5、電極的制備很簡(jiǎn)單，只需待測(cè)pH值溶液以醌氫醌飽和，浸入惰性電極（鉑電極） 中即可。醌氫醌電極作為還原電極時(shí)，電極反應(yīng)是C3H4O2 （醌）+2H+ +2e- tGH4QH） 2 （氫醌）其電動(dòng)勢(shì)為：其中$e醌氫醌 =t-25)ee醌氫醌 =$ 醌氫醌 -RT/F In 1/ a H+ =$ 醌氫醌 F pH通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得電池的電動(dòng)勢(shì)，就可以計(jì)算出溶液的 pH 值。三、實(shí)驗(yàn)儀器及用品1. 實(shí)驗(yàn)儀器：SDC數(shù)字電位差計(jì)、超級(jí)恒溫槽、飽和甘汞電極、光亮鉑電極、銀電極、250mL燒杯、20mL燒杯、U形管。2. 實(shí)驗(yàn)試劑：L的硝酸銀溶液、飽和氯化鉀溶液、硝酸鉀、瓊脂。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 制備鹽橋3%瓊脂-

6、飽和硝酸鉀鹽橋的制備方法：在250mL燒杯中，加入100mL蒸餾水和3g瓊脂，蓋上表面皿，放在石棉網(wǎng)上用小火加熱至近沸，繼續(xù)加熱至瓊脂完全溶解。然后加入40g硝酸鉀，充分?jǐn)嚢枋瓜跛徕浲耆芙夂?，趁熱用滴管將它灌入干凈的U形管中，兩端要裝滿，中間不能有氣泡， 靜置待瓊脂凝固后便可使用。 制備好的鹽橋丌使用時(shí)應(yīng)浸入飽和硝酸鉀溶液 中，防止鹽橋干涸。2. 組合電池將飽和甘汞電極插入裝有飽和硝酸鉀溶液的廣口瓶中。將一個(gè)20mL小燒杯洗凈后，用數(shù)毫升L的硝酸銀溶液連同銀電極一起淌洗，然后裝此溶液至燒杯的2/3處，插入銀電極，用硝酸鉀鹽橋不飽和甘汞電極連接構(gòu)成電池。3. 測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì) 根據(jù)Nernst

7、公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)溫度下電池（l）、（n ）的電動(dòng)勢(shì)理論值。 正確接好測(cè)量電池（I）的線路。電池與電位差計(jì)連接時(shí)應(yīng)注意極性。鹽橋的兩支管 應(yīng)標(biāo)號(hào)，讓標(biāo)負(fù)號(hào)的一端始終不含氯離子的溶液接觸。儀器要注意擺布合理并便于操作。 用SDC數(shù)字電位差計(jì)測(cè)量電池（I）的電動(dòng)勢(shì)。每隔2min測(cè)一次，共測(cè)三次。 同法，用SDC數(shù)字電位差計(jì)測(cè)量電池（H）的電動(dòng)勢(shì)，要測(cè)至平衡時(shí)為止。測(cè)量完畢后，倒去兩個(gè)小燒杯的溶液，洗凈燒杯的溶液。鹽橋兩端淋洗后，浸入硝酸鉀溶液中保存。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列入表1中。大氣壓:室溫：C1電池（I）測(cè)定記錄恒溫槽：30 CAg /AgAg / AgRT 1InFaAg0.78938

8、.314* 303.551In965000.020.69198 V飽和甘汞 0.2415 0.00065(30.0 25)0.238VE理論Ag/Ag飽和甘汞0.45373V表1電池（I）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表測(cè)定值/V測(cè)定平均值/V理論計(jì)算值/V相對(duì)誤差一次二次三次%2電池（H）測(cè)定記錄恒溫槽：30 CPH 理論值=-lgH +=-lg(Ca/Cb*Ka)=醌氫醌 0.6994 0.00074* (30 25)0.69572 303RT醌氫醌 醌氫醌；PH 0.69570.06015pHE2醌氫醌飽和甘汞0.6957 0.06015pH 0.23825PH測(cè)定=()/=表2電池（n）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表電

9、動(dòng)勢(shì)/VpH值測(cè)定值利用測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)求得溶液的pH值理論值相對(duì)誤差2min4min6min平均值%六、討論與分析1誤差分析：（1）溫度的影響：文獻(xiàn)值是在時(shí)測(cè)定得到的；而實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)并不是在下進(jìn)行，且測(cè)定 過(guò)程中還有升溫的操作，故溫度的偏差會(huì)對(duì)結(jié)果帶來(lái)影響。（2）儀器的不穩(wěn)定帶來(lái)較大誤差：調(diào)節(jié)電橋平衡的操作時(shí)間應(yīng)盡可能的短，否則電極 上較長(zhǎng)時(shí)間的有電流通過(guò)，會(huì)發(fā)生電池反應(yīng)使得溶液濃度下降、電極表面極化，這樣可逆電 極變成不可逆的，會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)較大誤差。而本次實(shí)驗(yàn)中所用儀器不穩(wěn)定，需要較長(zhǎng)的時(shí)間 才能大致調(diào)節(jié)到平衡，即使是同一個(gè)電動(dòng)勢(shì)值，在很短的時(shí)間內(nèi)測(cè)得的數(shù)據(jù)都有較大波動(dòng)， 所以不能很快調(diào)節(jié)到平衡

10、是實(shí)驗(yàn)的誤差主要來(lái)源。（3）電流無(wú)限小的情況下測(cè)量，才能達(dá)到可逆電池的要求，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流無(wú)法達(dá)到無(wú)限小仍存在一定值的電流 ，于是產(chǎn)生的極化作用破壞了電池的可逆性，使電動(dòng)勢(shì)偏離可逆值。（4）恒溫槽溫度存在波動(dòng)，電鍍不均勻，會(huì)造成不穩(wěn)定。此外實(shí)驗(yàn)中采用鹽橋來(lái)消除液接電位，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)中由于一開(kāi)始的時(shí)候儀器不穩(wěn)定，導(dǎo)致無(wú)法正常測(cè)定， 最后得更換儀器后重新測(cè)定。而此時(shí)，鹽橋已經(jīng)被消耗一部分， 其作用被減弱，不能保證鹽橋能夠完全消 除液接電位。2數(shù)據(jù)分析：觀察實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以看到，在相同溫度下，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，原電池測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)值并非維持在穩(wěn)定態(tài)，而是逐漸降低的。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因有兩個(gè)

11、：Hg為純液態(tài)，C也達(dá)到飽（1）隨著時(shí)間的增加，反應(yīng)也在不斷地進(jìn)行， 電極的反應(yīng)物也被不斷地消耗，導(dǎo)致Ag+ 的濃度減小。由原電池反應(yīng)的能斯特方程可知飽和甘汞電極由于和態(tài)，因此這兩者的濃度可看作不變，即原電池負(fù)極的電極電勢(shì)不變；另外，Ag+的濃度減小導(dǎo)致正極電勢(shì)減小，電池反應(yīng)的E減小，測(cè)得的結(jié)果也逐漸變小。（ 2）隨著反應(yīng)的進(jìn)行， 鹽橋也在不斷地消耗。 插入鹽橋的目的就是為了降低液接電勢(shì)， 減少電池的極化現(xiàn)象。 但因?yàn)辂}橋被消耗， 會(huì)導(dǎo)致其工作能力下降， 電池的極化現(xiàn)象嚴(yán)重化， 導(dǎo)致電池反應(yīng)的 E減小，測(cè)得的結(jié)果也逐漸變小。七、思考題1. 為何測(cè)定電動(dòng)勢(shì)要用對(duì)消法對(duì)消法的原理是什么解：原電池電

12、動(dòng)勢(shì)不能能用伏特計(jì)直接測(cè)量， 因?yàn)殡姵嘏c伏特計(jì)連接后有電流通過(guò)， 就 會(huì)在電極上發(fā)生生極化， 結(jié)果使電極偏離平衡狀態(tài)。另外，電池本身有內(nèi)阻， 所以伏特計(jì)測(cè) 得的只是不可逆電池的端電壓。 而測(cè)量可逆電池的電動(dòng)勢(shì)，只能在無(wú)電流（或極小電流）通 過(guò)電池的情況下進(jìn)行，因此采用對(duì)消法。對(duì)消法的原理： 在待測(cè)電池上并聯(lián)一個(gè)大小相等、 方向相反的外加電源， 這樣待測(cè)電池中沒(méi)有電流通過(guò)，外加電源的大小即等于待測(cè)電池的電動(dòng)勢(shì)。2. 測(cè)電動(dòng)勢(shì)為何要用鹽橋如何選用鹽橋以適合不同體系解：使用鹽橋可以有效地減弱液體接界電位， 減小電池的極化現(xiàn)象帶來(lái)的干擾， 使測(cè)定 更加準(zhǔn)確。 選用鹽橋時(shí)， 要求鹽橋的鹽濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被測(cè)物的濃度， 最少應(yīng)大于 10 倍以上。 此外， 還要求鹽橋的正、 負(fù)離子遷