2-1 不同浓度硫酸铜溶液电极电势的测定

实验2-1 不同浓度硫酸铜溶液电极电势的测定

【目的要求】

1. 测定Cu电极-饱和甘汞电极组成的电池的电动势和Cu电极的电极电势

2. 学会一些电极的制备和处理方法

3. 掌握电位差计的测量原理和正确使用方法

【预习要求】

1.了解如何正确使用电位差计、标准电池和检流计。

2.了解可逆电池、可逆电极、盐桥等概念及其制备。

3.了解通过原电池电动势测定求算有关热力学函数的原理。

【实验原理】

见天津大学版《物理化学实验》书

【仪器试剂】

UJ-25型电位差计标准电池

直流复射式检流计饱和甘汞电极

硫酸铜（分析纯）电极管

铜电极氯化钾（分析纯）

图1 UJ-25型电位差计图2 检流计

【实验步骤】

一、电极制备

铜电极

将铜电极在约6mol·dm-3的硝酸溶液内浸洗,

除去氧化层和杂物,然后取出用水冲洗,再用蒸馏

水淋洗.将铜电极置于电镀烧杯中作阴极,进行电

镀,电流密度控制在20mA·cm-2为宜。其电镀装置

如图所示。电镀半小时,使铜电极表面有一层均匀

新鲜铜,再取出。

二、配制不同浓度的CuSO4溶液

图3 制备电极的电镀装置

将1mol/L的CuSO4溶液分别配制成

0.1mol/L 、0.2mol/L 、0.3mol/L 、0.4mol/L 、0.5mol/L 共计五个不同浓度的溶液作为铜电极的电极溶液

将饱和KCI 溶液注入50ml 的小烧杯中作为盐桥,再将上面制备的不同浓度的铜电极和饱和甘汞电极置于小烧杯内,即成Cu-甘汞电池,

(-) Hg|Hg 2Cl 2|KCl(饱和) ‖Cu SO 4 (xmol.L -1) |Cu (+)

负极 2 Hg + 2 Cl - - 2e- = Hg 2Cl 2

正极 CuSO 4 + 2e- =Cu + SO 42-

三、电动势的测定

1、按照电位差计电路图，接好电动势测量路线。

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

3、分别测定以上五个电池的电动势

【数据处理】

一、根据饱和甘汞电极的电极电势温度校正公式，计算实验温度饱和时饱和甘汞电极的电极电势：

SCE ϕ/V=0.2415-7.61×10-4(T/K -298)

二、根据测定的各电池的电动势，分别计算铜电极的T ϕ、T θϕ、298θϕ。

三、根据有关公式计算Cu 电池的理论T ϕ理并与实验值T ϕ进行比较。

【评注启示】

一、电动势的测量方法，在物理化学研究工作中具有重要的实际意义，通过电池电动势的测量可以获得还原体系的许多热力学数据。如平衡常数，电解质活度及活度系数，离解常数，溶解度，络合常数，酸碱度以及某些热力学函数改变量等。

二、电动势的测量方法属于平衡测量，在测量过程中尽可能地做到在可逆条件下进行。为此应注意以下几点：

1、测量前可根据点化学基本知识，初步估算一下被测电池的电动势的大小，以便在测量时能迅速找到平衡点，这样可以避免电极极化。

2、为判断所测量的电动势是否为平衡电势，一般应在15min 左右的时间内，等间隔地测量7~8个数据。若这些数据是在平均值附近摆动，偏差小于±0.0005V ，则可以认为已达平衡，可取其平均值作为该电池的电动势。

3、前面已讲到必须要求电池反应可逆，而且要求电池在可逆的情况下工作。但严格说来，本实验测定的并不是可逆电池。因为当电池工作时，除了在负极进行Hg 的氧化和在正极上进行Cu 2+的还原反应外，在Hg 2Cl 2和CuSO 4溶液交界处还要发生Hg +向CuSO 4溶液中扩散过程。而且当有外电流反向流入电池中时，电极反应虽然可以逆向进行。但是在两溶液交界处离子的扩散与原来不同，是Cu 2+向Hg 2Cl 2溶液中迁移。因此整个电池的反应实际上是不可逆的。但是由于我们在组装电池时，在两溶液之间插入了“盐桥”，则可以近似地当作可逆电池来处理。

【附录】

UJ -25型电位差计的原理及使用

原电池电动势一般是用直流电位差计并配以饱和式标准电池和检流计来测量的。电位差计可分为高阻型和低阻型两类，使用时可根据待测系统的不同选用不同类型的电位差计。通常高电阻系统选用高阻型电位差计，低电阻系统选用低阻型电位差计。但不管电位差计的类型如何，其测量原理都是一样的。此外，随着电子技术的发展，一种新型的电子电位差计也得到了广泛应用。下面具体以UJ -25型电位差计和SDC -1型数字电位差计为例，分别说明其原理及使用方法。

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一、UJ-25型电位差计

UJ-25型直流电位差计属于高阻电位差计，它适用于测量内阻较大的电源电动势，以及较大电阻上的电压降等。由于工作电流小，线路电阻大，故在测量过程中工作电流变化很小，因此需要高灵敏度的检流计。它的主要特点是测量时几乎不损耗被测对象的能量，测量结果稳定、可靠，而且有很高的准确度，因此为教学、科研部门广泛使用。

1. 测量原理

电位差计是按照对消法测量原理而设计的一种平衡式电学测量装置，能直接给出待测电池的电动势值(以伏特表示)。图4是对消法测量电动势原理示意图。从图可知电位差计由三个回路组成：工作电

图4对消法测量原理示意图

E w-工作电源；E N-标准电池；E X-待测电池；R-调节电阻；R X-待测电池电动势补偿电阻；K-转换电键；R N-标准电池电动势补偿电阻；G-检流计

流回路、标准回路和测量回路。

(1) 工作电流回路，也叫电源回路。从工作电源正极开始，经电阻R N、R X，再经工作电流调节电阻R，回到工作电源负极。其作用是借助于调节R使在补偿电阻上产生一定的电位降。

(2) 标准回路。从标准电池的正极开始(当换向开关K扳向“1”一方时)，经电阻R N，再经检流计G回到标准电池负极。其作用是校准工作电流回路以标定补偿电阻上的电位降。通过调节R使G中电流为零，此时R N产生的电位降与标准电池的电动势E N相对消，也就是说大小相等而方向相反。校准后的工作电流I W为某一定值，即I W＝E N/R N。

(3) 测量回路。从待测电池的正极开始(当换向开关K扳向“2”一方时)，经检流计G再经电阻R X，回到待测电池负极。在保证校准后的工作电流I W不变，即固定R的条件下，调节电阻R X，使得G中电流为零。此时R X产生的电位降与待测电池的电动势E X相对消，即E X＝I W·R X，则E X＝(E N/R N)·R X。

所以当标准电池电动势E N和标准电池电动势补偿电阻R N二数值确定时，只要测出待测电池电动势补偿电阻R X的数值，就能测出来待测电池电动势E X。

从以上工作原理可见，用直流电位差计测量电动势时，有两个明显的优点：

●在两次平衡中检流计都指零，没有电流通过，也就是说电位差计既不从标准电池中吸取能量，也不从被测电池中吸取能量，表明测量时没有改变被测对象的状态，因此在被测电池的内部就没有电压降，测得的结果是被测电池的电动势，而不是端电压。

●被测电动势E X的值是由标准电池电动势E N和电阻R N、R X来决定的。由于标准电池的电动势的值十分准确，并且具有高度的稳定性，而电阻元件也可以制造得具有很高的准确度，所以当检流计的灵敏度很高时，用电位差计测量的准确度就非常高。

2. 使用方法

UJ-25型电位差计面板如图7-7所示。电位差计使用时都配用灵敏检流计和标准电池以及工作电源。UJ-25型电位差计测电动势的范围其上限为600V，下限为0.000001V，但当测量高于1.911110V以上电压时，就必须配用分压箱来提高上限。下面说明测量1.911110V以下电压的方法：UJ-25型电位差的操作面板如图所示。按着接线柱的标注连接好检流计、标准电池、待测电池和工作电池。按以下步骤进行测量：