微型伏打电池的设计与制作及Nernst方程的验证

1、微型伏打电池的设计与制作及Nernst方程的验证学 院：专 业：学生 姓名：课程 名称：指导 老师： 项目主要成员序号姓名学号项目分工组内评分1pH、电动势的测量2质量计算及数据记录3药品测量及溶解4锌铜电极的制备及处理5定容及电解液的配置综述1 伏打电池的历史与发展1.1伏打电池的历史伏打电池是18世纪末由意大利科学家伏打以含食盐水的湿抹布，夹在银和锌的圆形板中间，堆积成圆柱状，制造出的一种电化学电池，它是伏打基于意大利解剖学家伽伐尼的青蛙实验的基础上构想并设计出的人类史上第一个电池，至今仍在人们的日常生活和工作中发挥着重要的作用。意大利波洛尼亚大学的解剖学教授伽伐尼经常利用电击研究生物反应

2、。1780年秋天，他无意间发现，即使在没通电源的情况下，剥下来的青蛙腿也会发生痉挛的现象。后来经过10年的研究，在1791年终于发表成果。他一直认为这是一种由动物本身的生理现象所产生的电，称为动物电，因此开发了一门新的科学“电生理学”的研究。同时也带动了电流研究的开始，促使电池的发明。意大利帕维亚大学的物理学教授伏打，反复重做伽伐尼的实验，仔细观察后发现电并不是发生于动物组织内，而是由于金属或是木炭的组合而产生的。于是伏打完全不使用动物的组织，仅用不同金属相接触，使用莱顿瓶及金箔检电器进行实验，发现在接触面上会产生电压。这种装置可以同时用不同的几种金属提高实验效果，但是总无法产生连续不断的电流

3、。伏打同时注意到伽伐尼的实验中也是使用不同的金属，而实验中的青蛙腿可以看作一种潮湿的物质，所以就使用能够导电的盐水液体来代替动物组织实验，终于发现了电池的原理，做出了着名的伏打电堆与伏打电池。伏打电堆是由几组圆板堆积而成，每一组圆板包括两种不同的金属板。所有的圆板之间夹放着几张盐水泡过的布，潮湿的布具有导电的功能。伏打进一步试验不同金属所产生的电动势效果。同时他也试过不同的导电液，后来就用硫酸液代替盐水。至于电堆的原理，伏打则认为是由于金属接触的机械原因所导致的，一直到后来赫尔姆霍兹才指出这是错误的，认为这是化学作用所引起的。1800年伏打将十几年研究成果，写成一篇论文论不同金属材料接触所激发

4、的电，寄给英国皇家学会，不幸受到当时皇家学会负责论文工作的一位秘书尼克尔逊有意的搁置。后来伏打以自己的名义发表，终于使尼克尔逊的窃取行为遭受学术界的唾弃。当时的法国皇帝拿破仑平素喜欢学者，1800年11月20日在巴黎召见伏打，当面观看实验后顿觉感动，立即命令法国学者成立专门的委员会，进行大规模的相关实验。同时也颁发6000法郎的奖金和勋章给伏打，发行了纪念金币，而伏打也被作为电压的单位，直到现在我们还在使用。图 2. 伏打电池示意图图1. 伏打制造的伏打电池1836年，英国的丹尼尔对“伏打电堆”进行了改良。他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的锌铜电池，

5、又称“丹尼尔电池”。此后，又陆续有去极化效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。1860年，法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是，当电池使用一段使电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”。在1860年，法国的雷克兰士还发明了世界广受使用的电池（碳锌电池）的前身。它的负极是锌和汞的合金棒，而它的正极是以一个多孔的杯子盛装着碾碎的二氧化锰和碳的混合物。雷克兰士制造的电池虽然简陋但却便宜，所以一直到1880年才被改进的“干电池”取代。直到现在，我们用的干电池就是经过改良后的伏打电池。干电池中用氯化铵的糊状物代替

6、了盐水，用石墨棒代替了铜板作为电池的正极，而外壳仍然用锌皮作为电池的负极。19世纪90年代末， Waldmar Jungner 发明镍镉电池，1910年可充电的铁镍电池商业化生产。20世纪70年代初，首先研制成功高压氢镍电池。锂离子电池是在锂电池的基础上发展起来的，日本索尼公司于20世纪80年代开始研究锂离子电池，90年代得到迅速发展和应用。伏打电堆（电池）的发明，提供了产生恒定电流的电源化学电源，使人们有可能从各个方面研究电流的各种效应。从此，电学进入了一个飞速发展的时期电流和电磁效应的新时期。1.2伏打电池的发展现状随着信息技术的发展，通讯技术产品开发的日新月异，高能化学电源成为电子产品的

7、原动力。电子技术、移动通讯事业的进步推动了电池产业和技术的高速发展，金属氢化物镍电池、锂电池等新型蓄电池系列不断商品化。电动车的发展促进了锌空气、锌镍、燃料等系列取得突破性进展。科学技术的发展加速了各种新型电极材料的应用研究与开发，各种新型化学电源不断涌现。近的一、二十年来，随着电子技术飞速发展与日趋成熟，人们对莺量轻、能量高、适应性强的电源提出了新的要求，而应用金属锂提供能量之源的锂电池逐渐成为满足这种需求的理想高能能源。一次电池朝高容量、无水银、碱性化方向发展，锰干电池渐趋萎缩，碱锰电池比例逐渐增大。二次电池中，镍氢和锂离子电池将逐渐挤占镍镉电池原有的市场份额，从而打破镍镉电池一统天下的格

8、局。当前,全球环境问题日益严峻,珍惜资源与爱护环境蔚然成风，绿色化学已经成为国际化学研究的前沿。电池行业也与时俱进，向绿色产品看齐。锌锰电池中去汞、代汞获得了成功，把曾经一度广泛使用的Zn/HgO电池基本停止了生产；尽管Cd/ Ni电池的技术不断成熟，却开发了取代它的MH/ Ni电池；随后出现的燃料电池和锂离子电池有望成为绿色电池的佼佼者。化学电源工业所需的有色金属和重金属，如锌、镍、镉、铅、银等资源均不丰富，随着工业腾飞之后，势必造成供不应求。电池行业必须打开思路, 寻找新途径。铝是地壳中最丰富的金属元素，也是金属中最廉价的，而且有较高的安时容量。由于其它原因，对铝的研究未能商品化。因此，对

9、铝的化学电源的研究开发，蕴含诱人的前景与挑战。总之，由于电子技术、通讯事业、信息产业的飞速发展及国际上对环境和资源保护的日益重视,促使化学电源产品向高容量、高性能、低消耗、无公害、体积小和重量轻的方向发展。小型二次高能电池朝着这个方向飞速前进，将成为21 世纪世界科技中一颗璀璨的明珠。摘要通过对铜锌原电池的设计与制作，揭示了铜锌原电池的工作原理，研究了铜锌原电池的电动势及其影响因素；验证了Nernst方程在铜锌原电池理论电动势上的计算应用；同时验证并分析了电解液的PH值、沉淀的生成以及配合物的生成对铜锌原电池的电动势及Nernst方程的影响。1 研究背景电化学是研究电能与化学能相互转化关系的学

10、科，在电化学有关计算中，离不开利用Nernst方程对可逆电池电动势的计算。同时化学电池在当代生活中扮演着一种不可或缺的角色，它利用氧化还原反应即电子转移将化学能转化为电能。现在利用原电池原理制成多种电池在工农业生产、科学研究以及日常生活方面都有广泛的用途。在铜锌原电池中，通过盐桥将ZnSO4溶液和CuSO4溶液连接起来，构成离子移动的电路，两个电极反应在彼此隔离的条件下分别进行，保障两个半电池中的电子能持续通过外电路转移，使装置持续产生比较稳定的电流，从而清楚地揭示出电池中发生的化学反应。通过在不同的试验条件下，对铜锌原电池的电动势的测定，可以揭示电解液的PH值、沉淀的生成以及配合物的生成对铜

11、锌原电池的电动势及Nernst方程的影响。因此通过本次微型伏打电极的设计、制作与研究，可以加深对原电池原理、Nernst方程等电化学理论的认识和理解。2 实验部分2.1实验试剂氯化铜（CuCl2）、氯化锌（ZnCl2）、盐酸（HCl)、硫化钠（Na2S）、乙二胺四乙酸二钠（EDTA）2.2实验仪器万用表、PH试纸、50ml容量瓶*2、50ml烧杯*2、分析天平、玻璃棒、吸量管、洗瓶、吸耳球2.3实验方法2.3.1伏打电池的制作1.制备电极，用剪刀剪取长宽各为1cm的铜片和锌片，并留取长约5cm的尾巴充当导线，然后用胶布封住一面和尾巴，确保电极面积为1cm²，并用砂纸打磨电极裸露面。2

12、.配制浓度均为0.5mol/L的氯化铜溶液和氯化锌溶液。用电子天平称取3.400g的氯化锌、3.375g的氯化铜。将称好的药品分别置于烧杯中溶解，然后用玻璃棒引流至50mL的容量瓶中定容。氯化锌溶解前滴加8滴盐酸抑制其水解。3.将氯化铜和氯化锌溶液分放在两个烧杯中，锌电极插在氯化锌溶液中，铜电极插在氯化铜溶液中，两个烧杯中间用盐桥连接，一个伏打电池就制作好了。2.3.2电动势的计算与测量1. 计算理论电动势根据nernst方程Cu/Cu2+=Cu/Cu2+0-RT2Fln1c(Cu2+)Zu/Zu2+=Zu/Zu2+0-RT2Fln1c(Zu2+)求得，E理论=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=

13、Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)=0.337-0.763=1.100V2.测定实际电动势将电极连在万用表的两个电笔上，并调节万用表到2V量程的电压档，然后迅速将两电极分别插入对应离子电解液中，同时记录万用表上的稳定示数。2.3.3 PH值对电动势的影响1.配置PH分别为2、3、4、5的0.5mol/L氯化锌溶液和PH分别为1、2、3的0.5mol/L氯化铜溶液。2.将以上不同酸度的氯化锌溶液和氯化铜溶液按控制唯一变量的方式两两组成原电池。3.计算理论电动势并测量实际电动势并做好记录。2.3.4沉淀的生成对电动势的影响1.配置100ml浓度均为0.5m

14、ol/L的氯化铜溶液和氯化锌溶液备用。2.配置浓度为0.5mol/L的硫化钠溶液。3.按下表配比配制铜极的电解液。序号0.5mol/L的氯化铜/ml蒸馏水/ml0.5mol/L的硫化钠/ml13046230283300104.计算理论电动势并测量实际电动势并做好记录。2.3.5配位物的生成对电动势的影响 1.配置100ml浓度均为0.5mol/L的氯化铜溶液和氯化锌溶液备用。 2.配置浓度为0.1mol/L的EDTA溶液。 3.按下表配比配制铜极的电解液。序号0.5mol/L的氯化铜/ml蒸馏水/ml0.1mol/L的EDTA溶液/ml13046230283300104.计算理论电动势并测量实

15、际电动势并做好记录。3.结果与讨论3.1实验数据记录3.1.1电动势的测量数据氯化锌溶液mol/L氯化铜溶液mol/L实测电压/V理论电压/V相对误差0.50.51.0241.100-6.00%计算过程如下：E计算=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)=0.337-0.763=1.100V E测量=1.024V误差%=( E测量-E计算)/ E计算×100%=-6.00%3.1.2 PH对电动势的影响数据记录氯化锌溶液PH氯化锌溶液mol/L氯化铜溶液PH氯化铜溶液mol/L实测电压/V理论电压/V相对误差20.

16、530.51.0151.100-7.73%30.530.51.0201.100-7.27%40.530.51.0341.100-6.00%50.510.51.0641.100-3.27%50.520.51.0451.100-5.00%50.530.51.0341.100-6.00%计算过程如下：由于Zn(OH)2是弱电解质，不易溶于水，故锌离子会在水溶液中发生水解。实验时，向氯化锌溶液中加入盐酸，调整其PH值，显然随着溶液PH值的减小，H+浓度不断增加，从而抑制了锌离子的水解，则由Nernst方程分析可得，随着锌离子浓度的增加，电动势应该减小。同理可得随着PH值的减小，铜离子浓度增加，电动势增

17、大。由于在实验过程中，并未发现有明显的水解沉淀现象，为了简化处理，在误差允许范围内，计算理论电动势时我选择仍以初始浓度为准。以第一组数据为例。E计算=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)=0.337-0.763=1.100V E测量=1.015V误差%=( E测量-E计算)/ E计算×100%=1.015-1.1001.100×100%=-7.73%3.1.3沉淀的生成对电动势的影响数据记录序号0.5mol/L的氯化铜/ml蒸馏水/ml0.5mol/L的硫化钠/ml实测电压/V理论电压/V相对误差130

18、461.0581.093-3.20%230281.0371.092-5.04%3300100.9911.091-9.17%计算过程如下：以第一组数据为例。n硫化钠=0.5×6×10-3=0.003moln铜离子=0.5×30×10-3-n硫化钠=0.015-0.003=0.012mol则c铜离子=n铜离子V=0.0120.04=0.3molLE计算=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)=0.337-0.763-8.314×2982×96500ln0.50.3=1.

19、093V E测量=1.058V误差%=( E测量-E计算)/ E计算×100%=1.058-1.0931.093×100%=-3.20%3.1.4配合物的生成对电动势的影响数据记录序号0.5mol/L的氯化铜/ml蒸馏水/ml0.1mol/L EDTA溶液/ml实测电压/V理论电压/V相对误差130461.1301.0963.10%230281.0441.096-4.74%3300101.0271.095-6.21%计算过程如下：以第一组数据为例nEDTA=0.1×6×10-3=0.0006moln铜离子=0.5×30×10-3-nE

20、DTA=0.015-0.0006=0.0144mol则c铜离子=n铜离子V=0.01440.04=0.36molLE计算=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)=0.337-0.763-8.314×2982×96500ln0.50.36=1.096V E测量=1.130V误差%=( E测量-E计算)/ E计算×100%=1.130-1.0961.096×100%=3.10%3.2实验数据分析3.2.1 PH对电动势的影响数据分析原电池电动势随溶液PH值变化示意图（1）氯化锌溶液PH实测

21、电压/V如图所示，随着氯化锌溶液PH值的升高，原电池的电动势不断升高。由于Zn(OH)2是弱电解质，不易溶于水，故锌离子会在水溶液中发生水解。实验时，向氯化锌溶液中加入盐酸，调整其PH值，显然随着溶液PH值的增大，H+浓度不断减小，锌离子的水解程度变大，浓度降低，则由Nernst方程E=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)分析可得，随着溶液PH值增大，锌离子浓度降低，原电池电动势增大。原电池电动势随溶液PH值变化示意图（2）实测电压/V氯化铜溶液PH如图所示，随着氯化铜溶液PH值的升高，原电池的电动势不断降低。由于Cu(O

22、H)2是弱碱盐，难溶于水，故Cu2+会在水溶液中发生水解。实验时，向氯化铜溶液中加入盐酸，调整其PH值，显然随着溶液PH值的增大，H+浓度不断减小，Cu2+的水解程度变大，浓度降低，则由Nernst方程E=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)分析可得，随着溶液PH值增大，Cu2+浓度降低，原电池电动势减小。3.2.2沉淀对电动势的影响数据分析硫化钠溶液体积/L沉淀对电动势影响的变化示意图实测电压/V如图所示，随着加入的硫化钠溶液体积不断增多，原电池的电动势不断降低。在氯化铜溶液中加入硫化钠溶液后，铜离子与硫离子发生反应，生

23、成硫化铜沉淀，随着加入硫化钠溶液体积的增多，溶液中剩余的铜离子不断减少。则由Nernst方程E=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)分析可得，随着加入的硫化钠溶液体积增大，Cu2+浓度不断降低，原电池电动势不断减小。3.2.3配合物的生成对电动势的影响数据分析EDTA溶液体积/L实测电压/V配合物的生成对电动势影响的变化示意图如图所示，随着加入的EDTA溶液体积不断增多，原电池的电动势总体呈现降低的趋势。在氯化铜溶液中加入EDTA溶液后，铜离子与EDTA发生配位反应，生成铜的配合物，随着加入EDTA溶液体积的增多，溶液中剩

24、余的铜离子随着反应进行不断减少。则由Nernst方程E=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)分析可得，随着加入EDTA溶液体积的增加，Cu2+浓度不断降低，原电池电动势不断降低。结论（1）、铜锌原电池的实际测量的电动势与通过Nernst方程计算出的铜锌原电池的理论电动势在数值上相差不大，说明在铜锌原电池上发生的是可逆电极反应，其电极电势可以运用Nernst方程进行计算。（2）、在不同的PH值下，铜锌原电池有着不同的电动势，在锌电极一侧随着氯化锌溶液PH值的升高，原电池的电动势不断升高；而在铜电极一侧随着氯化铜溶液PH值的升高，原电池的电动势不断降低。（3）、沉淀的生成对铜锌原电池的电动势存在影响，随着铜电极一侧沉淀生成的增多，原电池的电动势不断降低。（4）、铜锌原电池的电动势受配位物生成的影响，随着铜电极一侧配位物生成的增加，原电池的电动势不断降低。误差分析（1）、在实验操作过程中，万用表测量的电动势不是原电池的电动势，而是路端电压，所以和计