电动势的测定及其应用(实验报告)

精品精品实验报告电动势的测定及其应用一．实验目的1．掌握对消法测定电动势的原理及电位差计，检流计及标准电池使用注意事项及简单原理。2.学会制备银电极，银〜氯化银电极，盐桥的方法。3．了解可逆电池电动势的应用。二．实验原理原电池由正、负两极和电解质组成。电池在放电过程中，正极上发生还原反应，负极则发生氧化反应，电池反应是电池中所有反应的总和。电池除可用作电源外，还可用它来研究构成此电池的化学反应的热力学性质，从化学热力学得知，在恒温、恒压、可逆条件下，电池反应有以下关系：△G=-nFE式中4G是电池反应的吉布斯自由能向量；n为电极反应中电子得失数；F为法拉第常数；E为电池的电动势。从式中可知，测得电池的电动势E后，便可求得4G，进而又可求得其他热力学参数。但须注意，首先要求被测电池反应本身是可逆的，即要求电池的电极反应是可逆的，并且不存在不可逆的液接界。同时要求电池必须在可逆情况下工作，即放电和充电过程都必须在准平衡状态下进行，此时只允许有无限小的电流通过电池。因此，在用电化学方法研究化学反应的热力学性质时，所设计的电池应尽量避免出现液接界，在精确度要求不高的测量中，常用“盐桥”来减小液接界电势。为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行，一般均采用电位差计测量电池的电动势。原电池电动势主要是两个电极的电极电势的代数和，如能分别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。附【实验装置】（阅读了解）UJ25型电位差计UJ25型箱式电位差计是一种测量低电势的电位差计，其测量范围为1UJ25型电位差计UJ25型箱式电位差计是一种测量低电势的电位差计，其测量范围为1日V-17.1mV（K置x1档）或10NV-171mV（K1置x10档）。使用5.7V~6.4V外接工作电源，标准电池和灵敏电流计均外接，其面板图如图5.8.2所示。调节工作电流（即校准）时分别调节R।（粗调）、R。（中调）和R，p1 p2 p3—+0U口—+u-+o一臼 +凸标准检流计5.7-6.4V未知1 未知2图5.8.2UJ31型电位差计面板图（细调）三个电阻转盘，以保证迅速准确地调节工作电流。R是为了适应温度不n同时标准电池电动势的变化而设置的，当温度不同引起标准电池电动势变化时，通过调节R，使工作电流保持不变。R被分成1（*1）.n（x0.1）和田（x0.001）三nx个电阻转盘，并在转盘上标出对应R的电压值，电位差计处于补偿状态时可以从这三x个转盘上直接读出未知电动势或未知电压。左下方的“粗”和“细”两个按钮，其作用是：按下“粗”铵钮，保护电阻和灵敏电流计串联，此时电流计的灵敏度降低；按下“细”按钮，保护电阻被短路，此时电流计的灵敏度提高。K为标准电池和未知电2动势的转换开关。标准电池、灵敏电流计、工作电源和未知电动势Ex由相应的接线柱外接。UJ25型电位差计的使用方法：（1）将K2置到“断”，K1置于“X1”档或“X10”档（视被测量值而定），分别接上标准电池、灵敏电流计、工作电源。被测电动势（或电压）接于“未知1”（或“未知2”）。⑵根据温度修正公式计算标准电池的电动势E（t）的值，调节R的示值与其相nn等。将K置“标准”档，按下“粗”按钮，调节R、R0和R尸使灵敏电流计指2 p1 p2 p3针指零，再按下“细”按钮，用R。和R'精确调节至灵敏电流计指针指零。此操作p2p3过程称为“校准”。⑶将K2置“未知1”（或“未知2”）位置，按下“粗”按钮，调节读数转盘I、出使灵敏电流计指零，再按下“细”按钮，精确调节读数转盘出使灵敏电流计指零。读数转盘I、五和田的示值乘以相应的倍率后相加，再乘以K1所用的倍率，即为被测电动势（或电压）E。此操作过程称作“测量”。x三．仪器与药品UJ-25型电位差计1台，直流辐射式检流计1台，稳流电源1台，电位差计稳压电源1台，韦斯顿标准电池1台，银电极2支，铂电极、饱和甘汞电极各1支，盐桥玻管4根。镀银液，盐桥液，硝酸银溶液（0.100mol/L）,未知pH液，盐酸液（0.100mol/L）,

(1mol/L),醌氢醌。四．实验步骤本实验测定下列四个电池的电动势:Hg(l)+HgCl(s)1饱和KCl溶液IICuSO(0.100mol/kg)1Cu(s)22 4Hg(l)+HgCl(s)1饱和KCl溶液11AgNO(0.100m)1Ag(s)22 3Ag(s)IKCl(0.01m)与饱和AgCl液IIAgNO(0.010m)IAg(s)3Ag(s)+AgCl(s)IHCl(0.100m)IIAgNO(0.100m)IAg(s)31．盐桥的制备为了消除液接电势，必须使用盐桥，其制备方法是以质量比例琼胶：KNO3：H2O=1.5:20：50的比例加入到烧杯中，于电炉上加热并不断用玻璃棒搅拌使之溶解，然后用滴管将它注入干净的U形管中，U形管中以及管两端不能留有气泡，冷却后待用。电极2.电动势的测定电极(1)按右图组成三个电池。⑵将待测电池接至电位差计上，用测试线将待测电池按“+”、“一极与“测量”插孔连接，注意正负极不能接错。⑶将“测量”旋钮置于“内标”，将“xioo”旋钮置于“1”，“补偿”旋钮逆时针旋转到底，其它旋钮均置于“0”，此时“电位指示”显示“1.00000”V。⑷待“检零指示”显示数值稳定后，按一下采零键，此时，“检零指示”显示“0000”。⑸将“测量选择”旋钮置于“测量”，依次调节“10010-4”五个旋钮，使“检零指示”显示数值为负且绝对值最小，此时“电位指示”显示的数值即为被测电动势的值。 〜依照上述步骤测定三个电池的电动势，每个电池测三次。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．实验注意事项1．连接线路时，红线接阳极，黑线接阴极。2．测试时必须先按电位计上“校准”按钮，待检流计示零后，再按“测量”按钮，以免检流计偏转过猛而损坏，测定时电计旋钮按下的时间尽量短，以防止电流通过而改变电极表面的平衡状态。3．开始时电流计应置于其灵敏度最低档，以后逐步提高灵敏度档次。盐桥内不能有气泡。标准电池不能倒置，晃动。工作电源的电压会发生变化，故在测量过程中要经常标准化。另外，新制备的电池电动势不够稳定，应隔数分钟测一次，取其平均值。测定过程中，检流计一直向一边偏转，可能是正负极接错，导线有断路，工作电源电压不够等造成，应进行检查。试验完毕，把盐桥放入水中加热溶解，洗净，其它各仪器复原，检流计短路放置。六．数据处理(参考)实验称取的琼胶、KNO3的质量分别为3g、40g,移取的蒸馏水的体积为100mL。温度t=18.6℃。1.根据第三、四个电池的测定结果，求算AgCl的Ksp第三个电池为：Ag(s)1KCl(0.01m)与饱和AgCl液11AgNO(0.010m)1Ag(s)3电池的电极反应为负极： Ag+Cl一(0.01m)fAgCl+e正极： Ag+(0.01m)+efAg电极总反应：Ag+(0.01m)+Cl一(0.01m)fAgCl其中左边半电池的制备方法为：往0.01mol/L的氯化钾溶液中滴加2滴0.1mol/L硝酸银溶液，边滴边搅拌(不可多加)，然后插入新制成的银电极即可。所测电动势的结果为：测量次数123平均值电动势E/V0.41320.41320.41330.4132因为0.01mol/L的AgNO的丫25V=0.902，0.01mol/L的KCl溶液的3土

丫25V=0.901,土所以a=C25v(AgNO)=0.01x0.902=9.02x10-3mol/LAg+ 土 3a =c25。。(KCl)=0.01x0.901=9.01x10-3mol/LCl- 土由F=96485C/mol,R=8.314J•K•mol,T=18.6+273.15=291.75K,将上述数据代入公式1gK=1g将上述数据代入公式1gK=1ga+1gasp Ag+ Cl-EF1gK=lg9.02x10-3+lg9.01x10-3-sp2.303RT，可得0.3406x964852.303x8.314x291.75=-9.973因此K=1.641x10-10sp因此第四个电池为：Ag(s)+AgCl(s)lHCl(0.100m)llAgNO(0.100m)1Ag(s)3电池的电极反应为负极： Ag+Cl-(0.100m).AgCl+e正极： Ag+(0.100m)+eTAg电极总反应：Ag+(0.100m)+Cl-(0.100m)tAgCl所测电动势的结果为：测量次数123平均值电动势E/V0.42180.42170.42180.4218已知0℃时0.01mol/L的HCl溶液的平均活度系数丫0-C=0.8027，温度t℃时的土中V可通过下式求得土TOC\o"1-5"\h\z-1g『V=-1g¥0V+1.620x10-41+3.13x10-712土 土将t=18.6℃代入可得0.1mol/L的HCl溶液的丫18.6V=0.986，所以土a=c18.6v(KCl)=0.1x0.986=9.86x10-2mol/L。由于AgNO的浓度为Cl-土 30.1mol/L，则a =c18.6v(AgNO)=0.1x0.902=9.02x10-2mol/L，所以Ag+ 土 3EF2.303RT=lg9.02EF2.303RT=lg9.02x10-2+lg9.86x10-2—0.4218x964852.303x8.314x291.75=-9.336lgK=1ga+1gasP Ag+ Cl-解得K=4.610x10-10sp解得综合两个电池求得的溶度积可得AgCl的K为:spKsp=3.126x10-101.641x10-10Ksp=3.126x10-1022.由第二个电池求30Ag+,AgTOC\o"1-5"\h\z第一个电池为：Hg(l)+HgCl(s)1饱和KCl溶液IIAgNO(0.100m)1Ag(s)22 3电池的电极反应为负极： Hg+Cl-f1HgCl+e2 22正极： Ag+(0.100m)+efAg电极总反应：Hg+Cl-+Ag+(0.100m)f1HgCl+Ag2 22所测电动势的结果为：测量次数123平均值电动势E/V0.53830.53840.53840.5384已知饱和甘汞电极电势与温度关系为：① =0.2412-6.61x10-4(t-25)-1.75x10-6(t-25)2-9.16x10-10(t-25)3甘汞将温度t=18.6℃代入，可得①=0.2454V

甘汞30 与温度关系为：Ag+,Ag30 =0.7991-9.88x10-4(t-25)+7x10-7(t-25)2Ag+,Ag将温度t=18.6℃代入可得p0 的理论值为30 =0.8055VAg+,Ag Ag+,Ag

由于电池的电动势为E=3 -3工，所以Ag+,Ag 甘汞① =E+3工=0.5384+0.2454=0.7838VAg+,Ag 甘汞实验测得的3实验测得的3Ag与理论值的绝对误差为：,Ag30 —3 =0.8055—0.7838=0.0217VAg+,Ag Ag+,Ag30 -30 -3-Ag+,Ag Ag+,Ag=,30Ag+,Ag0.8055-0.7838. 义100%;2.69%0.8055七．分析与讨论电动势的测量方法，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氧化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。电动势的测量方法属于平衡测量，在测量过程中尽可能的做到在可逆条件下进行。为此应注意以下几点：（1）测量前可根据电化学基本知识初步估算一下被测电池的电动势大小，以便在测量时能迅速找到平衡点，这样可避免电极极化。 、（2）要选择最佳实验条件使电极处于平衡状态。（3）为了判断所测量的电动势是否为平衡电势，一般应在短时间内，等间隔地测量个数据。若这些数据是在平均值附近摆动，偏差小于±0.5mV,则可认为已达平衡，并取最后三个数据的平均值作为该电池的电动势。（4）前面已讲到必须要求电池可逆，并且要求电池在可逆的情况下工作。可逆电池的电动势不能直接伏特计测量。因为当把伏特计与电池接通后，由于电池放电，不断发生化学反应，电池中溶液的浓度将不断改变，因而电动势值也会发生变化。另一方面，电池本身存在内电阻，所以伏特计所测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。在进行电池电动势测定时，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，电位差计是可以利用对消法原理进行电势差测量的仪器，即能在无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。如果测可逆电池电动势时，电池与伏特计直接相接，则整个电路便有一定的电流通过，在电池内阻上会产生一个电位降，并在电池两极发生化学反应，从而使得两极间的电位差较电池电动势小，因此要使两电极的电位差与电池电动势相等，则必须要求没有电流通过电池，不用直接用伏特计来测量一个可逆电池的电动势。本实验的盐桥是用琼胶、KNO3和蒸馏水按一定比例在加热状态混合均匀，然后无气泡地注入U形管中冷却制成的。盐桥是一个隔开两个半电池的液体部分而能维持通电的装置。盐桥的作用在于有效地减弱液体液接电势，因为当两种不同溶液或同一溶质不同浓度的两种溶液接通电流后，由于离子的迁移速度不同，使溶液在接界处产生电位差，即液接电势。如果接入了盐桥，这时越过溶液接界处的电流，将主要由组成盐桥的离子来传递。虽然在盐桥和半电池之间的界面上还存在液接电势，但由于盐桥的正负离子迁移数大致相等，从而使液接电势减至最小。盐桥的选择不仅要使其正、负离子迁移数接近，还应不与两端溶液起化学作用，同时为了使电流的容量大，盐桥的浓度要大大高于被测溶液的浓度，一般用饱和溶液。本实验中所制盐桥的电解质为KNO3，因为KNO3在水中的溶解度很大，且正、负离子迁移数大致相等，与电池两极的溶液不会发生反应。用对消法测量电动势的线路图为：Ew、Es、Ex分别为工作电池、标准电池和待测电池，工作电池使均匀电阻AB上电流通过并产生均匀的电位降。测定时先将K扳至与标准电池Es相连，移动滑线电阻至接触点C，使检流计G中无