Cu-Zn原电池实验条件优化 讲授提要2012秋.doc

Cu-Zn原电池实验条件优化讲授提要一、实验素材人教版必修2实验2-4(p40)：将锌片和铜片用导线连接（连接中间接入一个电流表），平行插入盛有稀硫酸的烧杯中（如图2-9），观察现象。二、实验目的1.巩固化学电池的相关知识；2.进一步提高信息获取能力；3.学习实验设计方法，提高解决实际问题的能力。三、实验存在的问题1.Zn片（负极）产生大量H2，误导学生，并影响Cu片（正极）上气体的观察。2.电流计指针偏转幅度小或灯泡不亮。3.电流计改用灯泡指示时，灯泡发亮维持时间很短，不能满足实验要求。四、实验任务安排及要求（一）Cu-Zn原电池实验条件优化1.查阅文献资料，了解该实验在实际的实验过程中存在哪些问题？本课题的核心任务就是通过实验探究，解决这些问题。2.复习相关电化学知识，分析影响实验成功的因素有哪些？从理论的高度，分析这些因素对实验的影响规律及原因是什么？3.围绕影响因素，设计实验，用简单比较法探究各因素对实验的影响，并通过实验结果确定各因素的最佳实验条件，最终解决中学实验中存在的问题。4.各讨论组内容安排：讨论组研究内容1、61.电极材料纯度的影响；2.Zn片宽度的影响；3.电极材料表面状态的影响；2、73.电极材料表面状态的影响；4.温度的影响3、84.温度的影响；5.电极面积的影响4、95.电极面积的影响；6.电极间距离的影响5、106.电极间距离的影响；7.硫酸浓度的影响5.讨论组在设计自己的研究内容时，其它实验条件应通过文献分析进行确定。6.在研究过程，对仪器装置进行改进是可以的，但改进不能影响对实验现象的观察，不能引起学生更多的误解。7.各因素实验完成后，应结合各组的实验结果，在优化条件下完成实验。（二）自制盐桥并设计安装如下原电池：电池 (-) ZnZnSO4CuSO4Cu (+)电池反应 负极 Zn Zn2+ + 2e 正极 Cu2+ + 2e Cu要求：必须符合演示实验的基本要求。五、实验原理电池1 (-) ZnH2SO4Cu (+)电池反应 负极 Zn Zn2+ + 2e =-0.763V，温度系数d/dT=0.091mVK-1 正极 2H+ + 2e H2 =0, 温度系数d/dT=0电池2 (-) ZnZnSO4CuSO4Cu (+)电池反应 负极 Zn Zn 2+ 2e 正极 Cu2+ + 2e Cu六、影响原电池的因素分析（一）Cu-Zn原电池实验不成功的成因分析及解决思路实验不成功事实成因分析解决思路Zn片（负极）产生大量H2Zn片直接与稀硫酸反应，且Zn片越不纯，反应速率越大。总体思路：降低Zn片产生H2量，增大Cu上气体量。具体为：1.降低Zn片面积，增大Cu片面积；2.提纯Zn片或改用纯Zn片；3.探究稀硫酸浓度；4.增大电极间距离，以便观察；5.降低反应温度。电流计指针偏转幅度小或灯泡不亮。电流强度小。或因内外电阻大，或因电动势小。总体思路：增大电动势或减小内外电阻。具体为：1.增大稀硫酸浓度或降低过程中Zn2+浓度或移除H2或多个电池串联以增大电动势；2.增大Cu电极表面积，降低电流密度，降低过电位。3.增大电极表面积或缩小电极间距离或选择电阻小的外电路以减小内外电阻；4.去除电极表面杂质灯泡发亮维持时间很短电动势降低，电流减小。总体思路：主要为增大电动势。具体为：1.增大稀硫酸浓度或降低过程中Zn2+浓度或移除H2以增大电动势；2.增大Cu电极表面积，降低电流密度，降低过电位。3.去除电极表面杂质通过对三个问题的成因分析，解决问题的思路转变为两个方面，一是如何降低Zn片直接与稀硫酸反应产生H2的量；二是如何提高电池电动势及减小内外电阻。（二）Cu-Zn原电池电动势计算1.可逆电池电池1 (-) ZnH2SO4Cu (+)电池反应 负极 Zn Zn2+ + 2e =-0.763V，温度系数d/dT=0.091mVK-1 正极 2H+ + 2e H2 =0因此，在标准状态下，该电池电动势为0.763V。在H2SO4浓度改变为非标准状态下，按能斯特方程计算：在稀硫酸浓度为5.0moldm-3，H+=10.0moldm-3，如果为2.5moldm-3，H+=5.0moldm-3常温，5.0moldm-3稀硫酸：(H+/H2)=0+0.059lg(H+/p(H2)0.5)=0.059V，2.5moldm-3稀硫酸：(H+/H2)=0.041V，0.2moldm-3稀硫酸：(H+/H2)=-0.023V，即电池电动势分别提高到：5.0moldm-3稀硫酸：0.822V；2.5moldm-3稀硫酸：0.804V；0.2moldm-3稀硫酸：0.74V；。2.不可逆电池（实际电池）两个电极都存在电极极化，过电位可用Tafel公式计算：=a+blgi其中Zn电极的过电位小，而在Cu电极上发生的析氢过电位相对是较大的。对于析氢过电位，大多数金属：b0.116Va与电极材料相关：析氢过电位较高的金属，a=1.21.5V，析氢过电位适中的金属，a=0.60.8V，如Cu，析氢过电位较低的金属，a=0.10.3V，如Zn。H2在不同金属上的活化过电位（1moldm-3HCl）电极电流密度i/(Acm-2)0.0010.010.11Cu0.600.750.820.84 由上述数据可知，由于析氢过电位的存在，实际的Cu-Zn原电池电动势比可逆电池的电动势至少低0.6V，即5.0moldm-3稀硫酸：电动势不超过0.222V；2.5moldm-3稀硫酸：不超过0.204V，0.2moldm-3稀硫酸：不超过0.14V，所以该电池要使得1.5V电珠长时间发亮，是有难度的。这就是教科书中采用灵敏电流计检测，而不用1.5V电珠的原因，当然，现在可用电阻更小的0.5V的LED灯或蜂鸣器代替或串联手段解决。（三）影响因素及影响规律1.电极材料纯度：不纯Zn片中含有Fe、C等，自身形成微电池而加速Zn在稀硫酸中的溶解，产生更多H2。实验中应采用分析纯Zn片或用普通Zn片电镀提纯；2.电极材料表面状态：Cu片或Zn片表面往往含有其它附着物，如Zn片表面可能有Zn2(OH)2CO3，阻止了电极表面的电化学过程，因此，通过砂纸打磨后的Cu片或Zn片应该更好，并且打磨后粗糙的表面会增加比表面积。3.温度：温度越高，有利于Zn片与稀硫酸的直接反应，对Zn电极现象不利。而Zn电极反应和氢电极反应的温度系数小，且Zn电极反应温度系数为正值，对电池电动势的提高不利，但影响不大。温度越高，对提高电池反应速率有利。4.电极面积：增大电极面积，可减小电极的电流密度，降低过电位，从而提高电池电动势；能降低电池内阻，有利于提高电流强度和输出功率，可提高灯泡亮度；大的Zn电极表面会增加Zn电极产生H2的量，电极间距离过小会使两极H2混为一体，不便观察。增大电极面积建议两极采用不同面积，Zn电极小，Cu电极大，面积比例为1：10或1：5。5.电极间距离：缩短电极间距离，能降低电池内阻，有利于提高电流强度和输出功率，可提高灯泡亮度。6.硫酸浓度：低浓度有利于过Zn电极产生的H2减少，高浓度有利于提高电池电动势。从文献资料看，2030%硫酸为宜。7.外电阻：减小外电阻，有利于提高电流强度和输出功率。建议：电极与导线连接处要打磨；相对较粗，较短的导线，0.5V LED灯。综合上述分析，并结合文献的研究结果，初步确定的研究条件是：采用分析纯Zn片或用普通Zn片电镀提纯，采用分析纯Cu片；Zn片或Cu片用砂纸打磨成凹凸不平状态，并避免新的表面污染；常温进行实验；Zn片宽度1cm，Cu片宽度510cm，液面高度38cm（通过液面调节电极表面积）；电极间距离34cm；硫酸浓度3.55.0moldm-3；电极与导线连接处要打磨；选择相对较粗，较短的导线，0.5V LED灯或电流计；用厚纸板或厚塑料泡沫板固定电极。七、仪器药品七水硫酸锌、五水硫酸铜、浓硫酸、氯化锌、浓氨水、硝酸钾、琼脂、蒸馏水、分析纯锌片、1号电池锌皮、分析纯铜片、铁片、200ml小烧杯3个、250mL烧杯3个、稳压直流电源、导线、LED灯或灵敏电流计、砂纸、厚纸塑料泡沫板或厚纸板。200 mL10.0 moldm-3稀硫酸的配制：用量筒量取mL 108.7mL 浓硫酸，在搅拌下缓慢倒入盛有约80 mL 蒸馏水的200 mL 烧杯中，冷却，定容至刻度。5.0、2.5、1.0、0.5moldm-3稀硫酸用此逐级稀释而得。0.2mol/L硫酸锌溶液和0.2mol/L硫酸铜溶液的配制：（略）八、实验步骤 实验方法：将两电极按一定的平行间隔距离插入厚纸板或厚塑料泡沫板以固定电极，选择相对较粗，较短的导线，0.5V LED灯或电流计按装置图连接；将电极插入盛有一定浓度稀硫酸的250mL烧杯，以液面高度调节电极面积，接通电路，观察两极上发生的现象和LED灯或电流计上发生的现象，并记录于表格。（一）电极材料纯度的影响1.将相同尺寸的且经砂纸打磨后的分析纯Zn片和普通Zn片（1号电池Zn皮）置于盛有5.0 moldm-3硫酸的烧杯中，比较产生气体的不同。2.将经砂纸打磨后的分析纯Zn片和普通Zn片（1号电池Zn皮）各作为原电池负极，实验比较差异。记录于下表。其它条件：采用砂纸打磨后的分析纯Cu片，常温，Zn片宽度1cm，Cu片宽度5.0cm，电极淹没高度5cm，电极间距离3cm；硫酸浓度5.0moldm-3。Zn电极纯度分析纯Zn片普通Zn片两极状况LED或电流计状况（二）电极材料表面状态的影响3.锌电极表面状态的影响按下表所列锌电极表面状态完成实验，并记录。其它条件：采用砂纸打磨后的分析纯Cu片，常温，Zn片宽度1cm，Cu片宽度5.0cm，电极淹没高度5cm，电极间距离3cm；硫酸浓度5.0moldm-3。Zn电极表面状态分析纯Zn片（未打磨）分析纯Zn片（打磨）普通Zn片（未打磨）普通Zn片（打磨）两极状况LED或电流计状况4.铜电极表面状态的影响按下表所列铜电极表面状态完成实验，并记录。其它条件：采用砂纸打磨后的分析纯Zn片，常温，Zn片宽度1cm，Cu片宽度5.0cm，电极淹没高度5cm，电极间距离3cm；硫酸浓度5.0moldm-3。铜电极分析纯铜片（未打磨）分析纯铜片（打磨）两极状况LED或电流计状况（三）温度的影响5. 按下表所列温度完成实验，并记录。其它条件：采用砂纸打磨后的分析纯Zn和Cu片，Zn片宽度1cm，Cu片宽度5.0cm，电极淹没高度5cm，电极间距离3cm；硫酸浓度5.0moldm-3。温度/常温2535两极状况LED或电流计状况（四）电极面积的影响6. 按下表所列电极面积完成实验，并记录。其它条件：采用砂纸打磨后的分析纯Zn和Cu片，常温，Zn片宽度1cm，Cu片宽度5.0cm，电极淹没高度5cm，电极间距离3cm；硫酸浓度5.0moldm-3。电极淹没高度/cm13579两极状况LED或电流计状况（五）电极间距离的影响7.按下表所列电极距离完成实验，并记录。其它条件：采用砂纸打磨后的分析纯Zn和Cu片，常温，Zn片宽度1cm，Cu片宽度5.0cm，电极淹没高度5cm；硫酸浓度5.0moldm-3。电极距离/cm12345两极状况LED或电流计状况（六）硫酸浓度的影响8.按下表所列硫酸浓度完成实验，并记录。其它条件：采用砂纸打磨后的分析纯Zn和Cu片，常温，Zn片宽度1cm，Cu片宽度5.0cm，电极淹没高度5cm，电极间距离3cm；。硫酸浓度/moldm-30.512.55.010两极状况LED或电流计状况（七）Zn片宽度的影响9.按下表所列Zn片宽度完成实验，并记录。其它条件：采用砂纸打磨后的分析纯Zn和Cu片，常温，Cu片宽度5.0cm，电极淹没高度5cm，电极间距离3cm；硫酸浓度5.0moldm-3。硫酸浓度/moldm-30.512.55.010两极状况LED或电流计状况（八）自制盐桥并设计安装原电池： (-) ZnZnSO4CuSO4Cu (+)10.自制盐桥将蒸馏水煮沸后，加入琼脂，不断搅拌，琼脂完全溶解后，倾入硝酸钾，变为均一的一相后，趁热倒入U型管中。水：琼脂：硝酸钾=50 : 1.5 : 20（质量比）11. 安装原电池： (-) ZnZnSO4CuSO4Cu (+)取两个100ml小烧杯分别倒入0.2mol/L硫酸锌溶液和0.2mol/L硫酸铜溶液，将打磨过的锌片和铜片浸入其中，盐桥连接两个烧杯，用导线将LED灯与两个电极连接起来。九、实验注意事项1.在配置及使用硫酸时，要注意安全；2.十、设计反思： 1.由于仪器设备以及研究时间等因素的的制约，该设计只是定性或半定量的研究，研究只能粗略的找到实验的适宜条件。但不能准确的量度各因素的影响，不能阐明各因素的影响程度，从而找到哪些因素是影响实验的主要因素。2.建议增加电导仪、万用电表等检测仪器，并采用正交分析方法进行研究。3.预估：电极材料纯度、电极材料表面状态、硫酸浓度将成为实验成功的关键因素。参考文献1郝金声.原电池实验条件探究J.贵州教育学院学报(自然科学)2006,17(2):60-62.2刘霞,解洪伟.谈原电池实验中的几个问题J.化学教育,2000,(6):383葛春燕.巧得锌电极J.实验方法与实验设计.2007,2