电极制备及电池电动势的测定

电极制备及电池电动势的测定

一．实验目的：

1．学会铜电极、锌电极的制备和处理方法。

2．掌握电势差计的测量原理和测定电池电动势的方法。

3．加深对原电池、电极电势等概念的理解。

二．实验原理：

1．电池电动势不能用伏特计直接测量。因为当伏特计与电池接通后，由于存在电流I，使电动势值发生变化；另一方面，由于电池本身存在内电阻，所以伏特计所量出的只是两极的电势降，而不是电池的电动势。只有在没有电流通过时的电势降才是电池真正的电动势。

ε = I（R内+R外）

伏特计测量：U=IR外

U/ε = R外/（R内+ R外）

当R外→∞，I→0，U/ε≈ 1，U ≈ε

电势差计就是利用对消法原理进行电势差测量的仪器，即能在电池无电流（或极小电流）通过时测得其两极的电势差，这时的电势差就是电池的电动势。

2．电势差计的测量原理：

电势差计的示意图如图所示：

当转换开关K合至1，调节r，使检流计G中无电流通过，此时标准电池E N和标准电池的补偿电阻R N两端的电势分别相等，此时有下列关系：

E N = IR N

式中I为工作电流。

当转换开关K合至2，调节滑线电阻A，再次使检流计G指示为零，此时在可调电阻R 上的电阻值设为R K，则有：

E X = IR K

式中I仍为前面所调的工作电流值，因此有：

E X = E N·R K/R N

即当标准电池电动势E N和标准电池电动势的补偿电阻R N的数值确定时，只要正确读出R K的值，就能正确测出未知电动势E X。

三．实验装置图：

四．实验步骤：

1．电极和盐桥制备

（1）锌电极：先用稀硫酸洗净锌电极表面的氧化物，再用蒸馏水淋洗，然后用0.1M 的ZnSO4溶液淋洗，放入0.1M的ZnSO4溶液中，即制成了锌电极。

（2）铜电极：由于铜较锌不活泼，所以先用稀硝酸洗净铜电极表面的氧化物，再用蒸馏水淋洗，然后把它作为阴极，另取一块纯铜片作为阳极，在镀铜溶液（配制方法见试剂）内进行电镀，电镀时，电流密度控制在25mA·cm-2左右，电镀时间20~30分钟，使铜电极表面有一层均匀的新鲜铜。电镀完成后，取出铜电极，用蒸馏水冲洗后，再用0.1M的CuSO4溶液淋洗，最后放入0.1M的CuSO4溶液中，即制成了铜电极。

（3）盐桥制备：为了消除液接电势，必须使用盐桥，其制备方法是：在100mL的饱和KCl溶液中加入3g琼脂，煮沸，用滴管将它灌入干净的U形管中，U形管中以及管两端不能留有气泡，冷却后待用。

2．电动势的测定：

（1）按图6（P149）正确连接线路。注意正、负极不要接错。

（2）校准标准电池：将转换开关拨至“N”处，转动工作电流调节旋钮粗、中、细、微，依次按下电计按钮“粗”、“细”，直至检流计为零。此后在实验过程中此四个按钮不要再调。

（3）测量待测电池电动势：将转换开关拨向X1或X2位置（取决于待测电池的接入位置），从大到小旋转六个测量旋钮，按下电计按钮“粗”、“细”，直至检流计示零，6个旋钮下方所显示的数字总和即为待测电池电动势。更换电池，即可测量其它电池的电动势。

实验完毕，把盐桥放在水中加热溶解，洗净，其它各仪器复原，检流计短路放置。五．数据处理：

1．室温下（17︒C）三组电池的电动势测量值：

2．计算：

由饱和甘汞电极的电极电势数据，以及a 、b 两组电池的电动势测量值，分别计算铜电极和锌电极的电极电势。

室温下，ϕ甘汞=0.2438-6.5×10-4（17-25）=0.24900V

∵E a =ϕ甘汞-ϕZn 2+/Zn ∴ϕZn 2+/Zn = ϕ甘汞- E a =0.24900-1.07073 = -0.82173V 同理，E b =ϕCu 2+/Cu -ϕ甘汞 ∴ϕCu 2+/Cu = ϕ甘汞+E b =0.24900+0.03857= 0.28757V

在25︒C 时0.1000mol ·L -1CuSO 4溶液中铜离子的平均离子活度系数为0.16，0.1000mol ·L -1ZnSO 4溶液中锌离子的平均活度系数为0.15，计算铜电极和锌电极的标准电极电势。

∵ϕCu 2+/Cu =ϕ0Cu 2+/Cu -+

21ln 2Cu a F RT ∴ϕ0Cu 2+/Cu =0.28757+

16.01.01ln 965002290314.8⨯⨯⨯=0.3392V 同理, ϕZn 2+/Zn = ϕ0Zn 2+/Zn -+

21ln 2Zn a F RT ∴ϕ0Zn 2+/Zn = -0.82173+15

.01.01ln 965002290314.8⨯⨯⨯= -0.7693V 物理化学数据手册上的标准电极电势数据

ϕ0*Cu 2+/Cu = 0.3402V ϕ0*Zn 2+/Zn = -0.7630V

ϕ0*Cu 2+/Cu >ϕ0Cu 2+/Cu ϕ0*Zn 2+/Zn >ϕ0Zn 2+/Zn

六．注意事项：

1． 标准电池切勿摇晃或颠倒，正负极不能接错，不能用万用表量其电压。

2． 检流计不用时一定要短路。在测定电动势时，一定要顺次先按电位计上的“粗”按钮，待检流计光点调到零点后再按“细”按钮，以免烧坏检流计。又按按钮使之通路的时间不可过长，勿超过一秒。

3． 盛放溶液的烧杯须洁净干燥或用该溶液荡洗。所用电极也应用该溶液淋洗或洗净后用滤纸轻轻吸干，以免改变溶液浓度。

4．甘汞电极内充满KCl 溶液，并注意在电极内应有固体的KCl 存在，以保证在所测温度下为饱和的KCl 溶液。使用时应把橡皮头拔去。

七．结果讨论：

由实验所得结果计算锌电极和铜电极的标准电极电势，较手册所给偏小，这可能是因为：

1． 标准电池长期使用后其电动势已变动，但未校正。

2． 用电位计测电池电动势时，每测一次前都需用标准电池校正，否则因工作电池的放电而改变了工作电流，致使电位计上的刻度不等于实际的电位值。

3．测电动势最好应在恒温条件下进行，但目前尚无这样的条件。

4．制备电极时如电流密度过大，镀液有误或镀前电极表面未经洁净处理会使镀层粗糙而易于剥落，致使电极电位有所改变而影响所测的电动势值。

八．思考题：

1．为什么不能用伏特计测量电池电动势？（课本P144）

2．对消法测量电池电动势的主要原理是什么？（课本P147）

3．应用UJ-25型电势差计测量电动势过程中，若检流计光点总往一个方向偏转，这可能是什么原因？