原电池电动势的测定实验报告

实验（一）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965001
C mol -⋅）；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，采用电位计测量。

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：
4142()()()()Zn s ZnSO m CuSO m Cu s ||||
符号“｜”代表固相（Zn 或Cu ）和液相（4ZnSO 或4CuSO ）两相界面；“‖”代表连通
两个液相的“盐桥”；1m 和2m 分别为4ZnSO 和4CuSO 的质量摩尔浓度。

当电池放电时，
负极起氧化反应：{}
22()()2Zn Zn s Zn a e ++-+
正极起还原反应：22()2()
Cu Cu a e Cu s ++-+
电池总反应为：2222()()()()
Cu Zn Zn s Cu a Zn a Cu s ++++
++
电池反应的吉布斯自由能变化值为： 22ln
Cu Zn Zn
Cu a a G G RT a a ++∆=∆-（9-2）
上述式中G ∆为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1Cu Zn a a ==。

而在标态时，221Cu Zn a a ++==，则有：
G G nFE ∆=∆=-（9-3）
式中E 为电池的电动势。

由（9-1）至（9-1）式可得： 22ln Zn Cu a RT E E nF a ++
=-（9-4）
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：
E ϕϕ+-=-（9-5） 对铜-锌电池而言22,1ln 2Cu Cu Cu RT
F a ϕϕ+++=-22,1
ln
2Zn Zn Zn RT F a ϕϕ++
-=
- 式中2,Cu Cu ϕ
+和2,Zn Zn ϕ
+是当221Cu Zn a a ++==时，铜电极和锌电极的电极电势。

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：21Zn a m γ+±=22
Cu a m γ+±=
γ±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，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101325Pa ，溶液中氢离子活度为1时的电极电势规定为零伏，即
2
,0
H
H ϕ+
=，称为氢电极，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，而这种电池的电动势E 等于零伏。

例如电池
33
()(0.01000)(0.1000)()Cu s Cu mol dm Cu mol dm 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 ϕ，由（9-6）式和（9-7）式可计算T ϕ。

为了比较方便起见，可采用下式求出298K 时的电极电势298K ϕ。

2
2981
(298)(298)2T K T K T K ϕϕαβ=+-+-
式中α、β为电极电势的温度系数。

对于Cu -Zn 电池来说：
铜电极
231(,),0.01610,0Cu Cu V K αβ+--=-⨯⋅= 锌电极23162[,()],0.10010,0.6210Zn Zn Hg V K V K αβ+----=⨯⋅=⨯⋅
三、仪器和试剂
SDC -Ⅲ电位差计1台； 镀铜溶液；
电镀装置1套； 饱和硝酸亚汞（控制使用）； 电池1个； 硫酸锌（分析纯）； 饱和甘汞电极1支； 铜、锌电极； 电极管2支； 硫酸铜（分析纯）； 电极架2个；
氯化钾（分析纯）。

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0.10001
mol kg
-⋅4ZnSO 中待用。

(2)铜电极：将铜电极在63
mol dm -⋅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202
mA cm -⋅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0.1000
1
mol kg -⋅4CuSO 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
置于小烧杯内，即成Cu -Zn 电池：
1144()(0.1000)(0.1000)()Zn s ZnSO mol kg CuSO mol kg Cu s --|⋅||⋅| 电池装置如图9-2所示。

同法组成下列电池：
1144()(0.01000)(0.1000)()Cu s CuSO mol kg CuSO mol kg Cu s --|⋅||⋅|
1422()(0.1000)()()()Zn s ZnSO mol kg KCl Hg Cl s Hg l -|⋅||||饱和 1224()()()(0.1000)()Hg l Hg Cl s KCl CuSO mol kg Cu s -||||⋅|饱和
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)根据电池的温度系数，计算实验温度下的电池电动势。

以此对电位差计进行标定。

23620//[40.6(/20)0.95(/20)0.01(/20)]10t E V E V t C t C t C -=-︒-+︒--︒-⨯ (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。

溶液NaoH 浓度为0.102mol/L V NaoH(mL)
V HAc(mL)
C HAc(mol/L)
C HAc(mol/L)平均
20.39 5.00 0.4160 0.4305
21.90
5.02
0.4450
瓶号 活性炭重 （g ） 起始浓度(mol/L) 平衡浓度(mol/L) 吸附量（mol/kg ）
1 1.0591 0.21525 0.19431 1.97715 0.38418 2
1.0323
0.12915
0.10727
2.11954
0.22736
Zn 电极
铜电极
盐桥
图9-2 Cu-Zn 电池装置示意图图9-1 制备铜电极的电镀装置0-50mA
可变电阻
铜电极 铜棒
3 1.0439 0.0861 0.066402 1.88696 0.12530
4 1.0077 0.0430
5 0.029614 1.33333 0.03949
5 1.0333 0.021525 0.01292 0.83277 0.01076
，平衡浓度c及吸附量Ґ（mol• kg－1）。

2.计算各瓶中醋酸的起始浓度c
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/Ґ-c图，并求出和常数K。

由直线斜率得:
=0.05168mol/kg
由直线截距得：
K=-47.29
5.由计算活性炭的比表面。

=756.006
●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、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、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“1.00000V”，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。