铜锌原电池电动势的测定及运用

铜锌原电池电动势的测定及应用

实验目的

1. 掌握对消法测定电池电动势的原理及电位差计的使用方法。

2. 通过电池电动势的测量，加深理解可逆电池、盐桥等基本概念。

3. 学会金属电极的制备和处理方法。

4. 通过原电池电动势的测定掌握有关热力学函数的计算。

实验原理

铜锌原电池是由两个“半电池”所组成，而每一个半电池中有一个电极和相应的电解质溶液。在铜锌原电池放电反应中，正极起还原反应，负极起氧化反应，电池反应是两个电极反应的总和，其电动势为组成该电池的两个半电池的电极电势的代数和。在恒温恒压、可逆条件下，各热力学函数与电池电动势有如下关系：

（1）

(2)

(3)

式中：F是法拉第常数（96485.34C），z是电池输出元电荷的物质的量，E 是可逆电池的电动势。故只要在恒温恒压下测出铜锌电池的电动势E和电动势的温度系数，便可求出各热力学函数。

书写电池的电动势和电极电势的表达式：

根据能斯特方程，可得电池的电动势与活度的关系式：

(4)

由于Cu 、Zn 为纯固体，它们的活度为1，则式（4）可书写为：

(5) 式中 为溶液中锌离子的活度和铜离子的活度均等于1时的电池的电动势（即原电池的标准电动势）。

的数值可由下法得到。 =E 0+-E 0- （6）E 0以标准氢电极作为标准(标准氢电极是氢气压力为100kPa ，溶液中为1，其电极电势规定为零)测得。将标准氢电极作为负极铜电极作为正极组成电池测定E(Zn|Zn2+)，标准氢电极作为负极锌电极作为正极组成电池测定E(Cu|Cu2+)。E(Zn|Zn2+)= E 0(Zn|Zn2+)- 2RT F ()ln (2+a Zn a Zn ） （7）E(Cu|Cu2+)= E 0(Cu|Cu2+)- 2RT F ()ln (2+a Cu a Cu ） （8）得出E 0(Zn|Zn2+)，E 0(Cu|Cu2+)。由（6）得 。

由E 0 还可以计算出ΔrGmθ，可由下式求出：ΔrGmθ=-zFE 0 （9）计算原电池反应电动势的温度系数（E T ∂∂）P 。测定不同温度下铜锌原电池的电动势，作E-T 图求斜率，斜率即为（E T ∂∂）P 。实验仪器及试剂 仪器：SDC-ⅡB 数字电位差综合测试仪1台(南京桑力电子设备厂) ，铜电极 1

支，锌电极 1 支，50ml 烧杯2只，恒温装置一套，Ｕ型管。 试剂：0.100×103 mol.m-3 ZnSO4 ，0.100×103 mol m-3CuSO4，1∶3的稀硝酸，稀硫酸溶液，饱和KNO3溶液，琼脂，CuSO4.5H2O ，乙醇。

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实验步骤

1. 电极制备

（1）铜电极的制备：将铜电极在1∶3的稀硝酸中浸泡片刻，除去氧化物，用水冲洗干净。以此电极作为负极，另一铜板作正极在镀铜液中电镀（镀铜液组成为：每升中含125gCuSO4.5H2O，25gH2SO4，50mL乙醇），控制电镀的电流为20mA，电镀20min得表面呈红色的Cu电极，洗净后放入0.10 mol.dm-3的CuSO4溶液中备用。

（2）锌电极的制备：将锌电极在稀硫酸溶液中浸泡片刻，除掉锌电极上的氧化层。取出后用自来水洗涤，再用蒸馏水淋洗，然后浸入饱和硝酸亚汞溶液中

6～10s，取出后用滤纸擦拭锌电极，使锌电极表面上有一层均匀的汞齐，再用蒸馏水洗净（汞有剧毒，用过的滤纸不能乱丢，应放入指定的地方），将洗净后的锌电极插入0.10 mol.dm-3 的ZnSO4溶液中待用。

2.盐桥制备

⑴简易法

用滴管将饱和KNO3(或NH4NO3)溶液注入Ｕ型管中，加满后用捻紧的滤纸塞紧Ｕ型管两端即可，管中不能存有气泡。

⑵凝胶法

称取琼脂1g放入50mL饱和KNO3溶液中，浸泡片刻，再缓慢加热至沸腾，待琼脂全部溶解后稍冷，将洗净之盐桥管插入琼脂溶液中，从管的上口将溶液吸满(管中不能有气泡)，保持此充满状态冷却到室温，即凝固成冻胶固定在管内。取出擦净备用。

3.电动势测定：

(1).开机5分种后，如果使用"内标"做基准（不用外配的标准电池），就将功能档旋至"内标"位，将最大档"X100V"调至1处，其余各档都调至0处，"补偿"档调至最小。这等于是给出了1.0000V 的标准，此时按"采零"键，使"检零指示"显示为"－00.00"）。然后将功能档旋到"测量"位，将红线夹接铜电极，黑线夹接锌

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电极（切勿接错了），稳定一段时间后开始测电池：-Pt|H2(g,100kPa)|H+{a(H+) =1}||Cu2+{a(Cu2+)}|Cu+的电动势。办法是由大档位到小档位依次逼近电动势值（刚开始测量时，"检零指示"档会显示 "QU.L" 或 "**.**", 随着测量值的逼近，绝对值越来越小，但不能为正值），直至"检零指示"档为"00.00"（如最后不为"00.00"，则缓缓旋"补偿"档，使"检零指示"刚好显示"00.00"），记录这个时候的读数。注意，只有原电池真正处于平衡状态，测出的值才会稳定不变。因此要尽可能使被测电池平稳、不受振动、不含气泡、室内气温恒定。

(2).同样的操作侧电池：-Pt|H2(g,100kPa)|H+{a(H+)=1}||Zn2+{a(Zn2+)}|Zn+的电动势。

（3.控制恒温浴温度为25℃，将电池：

置于恒温浴中恒温 15～20 分钟。根据要求正确连接好电位差计，重复（1）操作测量250C下的电动势。同理测定30℃,35℃,40℃,45℃下该电池的电动势。

4.整理仪器。

数据处理

1.计算ΔrGmθ

E/V平均E/V E0/V铜锌电池

ΔrGmθ

E0/V 铜电极

锌电极

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2．计算原电池反应电动势的温度系数（

E

T

∂

∂）P。

温度T/0C2530354045电动势E/V

作图求斜率。

3．用公式（1），（2），（3）计算250C 的rHm

∆，rSm

∆，rGm

∆。

思考题

测定电池反应电动势时，为什么按电位差计的电键应间断而短促？