基础化学实验Ⅲ （物理化学实验） 原电池电动势和电极电势的测量.

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1 基础化学实验Ⅲ （物理化学实验） 原电池电动势和电极电势的测量

2 知识点及实验技能训练要点 知识点： 实验技能训练要点： 原电池电动势、电极电势、能斯特方程。
检流计、标准电池、稳压电源、电位差计的使用；原电池电动势的测定（均为首次训练）

3 一、实验目的 二、实验原理 三、实验步骤 四、注意事项 五、实验总结 六、实验延伸 七、思考题

4 一、实验目的 1. 学会几种电极和盐桥的制备方法； 2. 掌握对消法测量可逆电池电动势的原理； 3. 掌握UJ-25型电位差计的使用方法；
4. 学会电池的电动势的测定； 5. 计算Cu、Zn电极的电极电势。

5 二、实验原理 （一）可逆电池 凡把化学能转变为电能的装置称为原电池（或电池）。电池由两个电极和连通两个电极的电解质溶液组成。
对定温定压下的可逆电池而言: 式中，F为法拉弟（Farady）常数；n为电极反应式中电子的得失数；E为电池的电动势。 E可借助于电位差计测定

6 电位差计是利用补偿法在电池无电流（或极小电流）通过时测得两电极的电位差
（二）电位差计

7 工作原理图 E为工作电源电压 En为标准电池电动势 Ex为未知电池电动势

8 每个电极都具有一定的电极电势。当电池处于平衡态时，两个电极的电极电势之差就等于该可逆电池的电动势，即
（三）电极电势、电池电动势 　每个电极都具有一定的电极电势。当电池处于平衡态时，两个电极的电极电势之差就等于该可逆电池的电动势，即 E是原电池的电动势 分别代表正、负极的电极电势。 和 R＝8.134 J·mol-1·K-1； F＝96500 C·mol-1； T是绝对温度；z是反应中得失电子的数量，α为参与电极反应的物质的活度。

9 以Cu-Zn电池为例，其电池表达式为： Zn  ZnSO4(m1)  CuSO4 (m2) Cu 铜电极的标准电极电势
锌电极的标准电极电势

10 选择一个电极电势已知的电极，如饱和甘汞电极，让它与Cu电极组成电池，该电池的电动势为：
由饱和甘汞电极的电极电势温度校正公式求得 测得电动势E，则可以确定 进而可求出 同理可以确定 和

11 仪器装置 工作电源 电位差计 检流计 标准电池 待测电池

12 三、实验步骤 连接时应注意极性 1. 将标准电池、工作电池、检流计与电位差计面板相应位置相连。 2. 调节工作电池电压约为2 V。

13 3. 计算标准电池的电动势，并调节电位差计面板上的温度补偿旋钮。
标准电池电动势： 4. 调节工作电流： 将（N、X1、X2）转换开关置于“N” 依次旋动粗”、“中”、“细”、“微”，直至检流计不再偏转为止。 若检流计总朝一个方向偏转，应如何排查？

14 “盐桥”的作用是什么？ 5. 测未知电池电动势 （1）组装Cu-Zn电池: 在两个干净的小烧杯内分别加入30 mL 0.10 mol/kg ZnSO4和CuSO4溶液，以饱和KCl盐桥联通两烧杯。分别插入打磨干净的Zn、Cu电极，电极导线与电位差计面板上未知电池1或未知电池2相接。 （2）将电位差计面板上的转换开关（N、X1、X2）置于“X1”或“X2”位置，依次从大到小调节面板中部的六个旋钮，直至检流计不再偏转为止。读出数字，即为Cu-Zn电池的电动势。 （3）同理测量其他未知电池电动势

15 四、注意事项 1. 标准电池属精密仪器，不可横放、倒置或摇动。 2. 用电位差计进行测量前最好先估算电动势的大小。
3. 按电计按钮的时间要短（< 1s），不能一直按下按钮；调节旋钮时，电计按钮要松开。 4. 为了避免使用汞齐电极时汞的污染，本实验直接使用高纯度的锌片和铜片为电极，使用前要打磨、冲洗、烘干。 5. 饱和甘汞电极使用时要将电极帽取下，用毕后用饱和氯化钾溶液浸泡。

16 五、实验总结 (一).数据处理 1. 写出实验时的室温t及该温度下标准电池的电动势值Et； 2. 列出各电池电动势的测量值：
a) (-)Zn | ZnSO4(0.10 mol/kg)‖CuSO4 (0.10 mol/kg) | Cu (+) E = b) (-)Cu | CuSO4 (0.01 mol/kg)‖CuSO4 (0.10 mol/kg) | Cu(+) E = c) (-)Zn | ZnSO4 (0.10 mol/kg) ‖饱和甘汞电极(+) E = d) (-)饱和甘汞电极‖CuSO4(0.10 mol/kg) | Cu (+) E =

17 3. 根据饱和甘汞电极的电极电势温度校正公式，计算实验温度时饱和甘汞电极的电极电势；
4. 电池(3)、(4)的电动势测量值结合饱和甘汞电极的电极电势： (a) 分别计算铜、锌电极的 ； (b) 分别计算铜、锌电极的 。 公式中注意使用活度 (c) 由电极电势温度校正公式分别计算铜、锌电极 计算其相对误差。 5. 计算电池(1)的 ，并进一步计算 计算其相对误差。 公式中注意使用活度

18 （二）. 讨论 工作电源要有足够的容量，才能保证工作电流恒定。 如果检流计本身是好的，按键后检流计光点不动，则说明线路中必有断路。
如果检流计本身是好的，光点总是朝一个方向偏转，则表明达不到补偿，这可能是由以下原因造成： ① 被测电势高于电位差计的限量； ② 工作电源没有输出，或输出电动势过高或过低； ③ 工作电流回路中有断路； ④ 工作电源、标准电池或待测电池的极性接反。

19 4. 在测量电池电动势时，尽管我们采用的是对消法，但在对消点前，测量回路将有电流通过，所以在测量过程中不能一直按下电键按钮，否则回路中将一直有电流通过，电极就会产生极化，溶液的浓度也会发生变化，测得的就不是可逆电池电动势，所以应按一下调一下，直至平衡。在调节过程中，按下电键的次数应尽量少。为了又快又准地测量，应事先计算理论值，在理论值附近调节。

20 六、实验延伸 1、原电池电动势的测量，是测定一系列物理化学常数所最常用的方法之一。在科研工作中具有重要的意义。例如，平衡常数、活度系数、解离常数、溶解度、配合常数、溶液中离子的话度以及某些热力学函数的改变量等，均可通过电池电动势的测定来求得[1]。 2、通过电动势法研究季铵盐Gemini表面活性剂与牛血清白蛋白( BSA ) 之间的相互作用, 得到它们结合过程的结合等温线和对应的Scatchard曲线, 并通过结合能力的概念得到了结合过程的结合位点数、Hill系数及Hill结合常数[2] 。

21 参考文献 复旦大学等编. 物理化学实验. 第三版. 北京：高等教育出版社，2004：68-73页 宁爱民, 党玉丽, 赵士举, 等. 电动势法研究蛋白质与季铵盐Gemini表面活性剂的相互作用. 应用化学，2011, 28（7）：

22 七 、思考题 1. 写出标准电池的电极反应和电池反应。并结合相图分析为什么该电池可用作标准电池？ 2. 选择“盐桥”液应注意什么问题?
3. 分析可否直接用伏特计来测定电池电动势？