原电池电动势的测定及其应用

原电池电动势的测定及其应用

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)学会一些电极的制备和处理方法；

(3)掌握SDC-Ⅲ数字电位差计的测量原理和正确使用方法。

二、实验原理

原电池由正、负两极组成。电池在放电过程中，正极发生还原反应，负极发生氧化反应，电池部还可以发生其他反应，电池反应是电池中所有反应的总和。

电池除可用来提供电源外，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：

（2-69）

式中是电池反应的吉布斯自由能增加；为电极反应中得失电子的数目；

为法拉第常数（其数值为96500C/mol）；为电池的电动势。所以测出该电池的电动势后，进而又可求出其他热力学函数。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，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，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，采用电位差计测量。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电动势。由（2-69）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。电池表达式为

符号“”代表固相（或）和液相(或)两相界面；“”代表连通两个液相的“盐桥”；和分别为和的质量摩尔浓度。

当电池放电时，

负极起氧化反应：

正极起还原反应

电池总反应为

电池反应的吉布斯自由能变化值为：

（2-70）

式中为标准态时自由能的变化值；为物质的活度，纯固体物质的活度等于1，即,而在标态时，，则有

（2-71）

式中为电池的标准电动势。由(2-69)(2-71)式可得：

（2-72）

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

（2-73）

对铜-锌电池而言，

（2-74）

（2-75）

式中和为当时，铜电极和锌电极的标准电极电势。

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：

（2-76）

（2-77）

式中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、实验温度等因素有关。

在电化学中，电极电势的绝对值至今无法测定，在实际测测量中是以某一电极的电极电势作为零标准，然后将其他的电极（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动势。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0V，即称为标准氢电极，然后与其他被测电极进行比较。

由于氢电极使用不方便，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。还有一类电池称为浓差电池，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，而这种电池的标准电动势等于0V。

例如电池

就是浓差电池的一种。

电池电动势的测定工作必须在电池处于可逆条件下进行，必须指出，电极电动势的大小，不仅与电极的种类、溶液浓度有关，而且还与温度有关。本实验是在实验温度下测得的电极电势,由式(2-74)和式（2-75）可计算。为了比较方便起见，可采用下式求出298K时的标准电极电势:

式中，为电极电势的温度系数。对于Cu-Zn电池来说，铜电极：锌电极：

三、实验仪器和药品

1.仪器

SDC-Ⅲ电位差计1台；电镀装置1套；标准电池1个；饱和甘汞电极1支；电极管2支；电极架2个；痒弹量热计1台；精密温度温差仪1台；压片机1台。

2.药品

镀铜溶液；饱和硝酸亚汞（控制使用）；硫酸锌（AR）；铜、锌电极；硫酸铜（AR）；氯化钾（AR）；萘（AR）。

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，表面即生成一层光亮的汞齐，用水冲洗晾干后，插入0.1000mol/kg中待用。

(2)铜电极：将铜电极在6mol/dm3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，另取一个未经清洁处理的铜棒作阳极，进行电镀，电流密度控制在20为宜。其电镀装置如图2-44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0.1000mol/kg中备用。

2. 电池组合

将饱和溶液注入50ml 的小烧杯，制盐桥，再将制备的锌电极和铜电极置于小烧杯，即成Cu —Zn 电池:

电池装置如图2-45所示。

同法组成下列电池：

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) 根据标准电池的温度系数，计算实验温度下的标准电池电动势。以此对电位差计进行标定。

(3) 分别测定以上电池的电动势。

五、 实验数据及处理

(1) 列出各电池电动势的测量值：

① ② ③ ④

(2) 根据饱和甘汞电极的电极电势温度校正公式，计算实验温度时饱和甘汞

Zn 电极

铜电极

盐桥

图2-45 Cu-Zn 电池装置示意图

图2-44 制备铜电极的电镀装置050mA

可变电阻

铜电极 铜棒