电池电动势的测定及其应用实验报告.docx
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电池电动势的测定及其应用实验报告
电池电动势的测定及其应用实验报告
电池电动势的测定及其应用
、实验目的:
1•了解对消法测定电池电动势的原理;
2•掌握电动势测定难溶物溶度积(Ksp)的方法;
3•掌握常用参比电极银一氯化银电极的制备方法。
电池由两个半电池组成(半电池包括一个电极和相应的电解质溶液),当电池放电时,进行氧化反应的是负极,进行还原反应的是正极<电池的电动势就是通过电池的电流趋近于零时两极之间的电位差。
它可表示成:
式中E、E分别表示正、负电极的电位。
当温度、压力恒定时,电池的电动势E(或电极电位E、E)的大小取决于电极的性质和溶液中有关离子的活度。
电极电位与有关离子活度之间的关系可以由Nernst方程表示:
RT
EE——lnaBB(16-1)
zFB
式中:
z为电池反应的转移电子数,b为参加电极反应的物质B的化学计
量数,产物B为正,反应物B为负。
本实验涉及的两个电池为:
(1)(—)Ag(s),AgCI(s)|KCl(0.0200molL-1)||AgN03(0.0100molL・-1)
IAg(s)(+)
(2)
(一)Hg(l),Hg2Cl2(s)|KCl(饱和)||AgNO3(0.0100molL-1)
IAg(s)(+)
在上述电池中用到的三个电极是:
(1)
银电极:
电
极
反应
:
Ag(0.01molL1)eAg
(16-2)
RT
EAg/Ag
EAg/Ag卩lnaAg
其中:
E
Ag
/Ag0.7991
0.00097(t25)V
式中:
t为摄氏温度(下同),
(2)甘汞电极:
电极反应:
HgCl2(s)2e
EHg2Cl2(s)/HgEHg2Cl2(s)/Hg
RT
InaCI
FCI
对于饱和甘汞电极,温度一定时,aCI为定值,因此饱和甘汞电极电位与
温度有关,其关系式为:
EHg2CI2(s)/Hg0.24150.00065(t25)V
(3)银一氯化银电极
电极反应
AgCI(s)eAgCl(aCI)(16-4)
根据溶度积关系式a
aCI
Ksp得
{Ag
/Ag}
RT
F
InaAg
RT
.Ksp
{Ag
/Ag}
In'p
卜
aCI
{Ag
/Ag}
RT
InKsp
Ag
E{AgCI(s)/Ag}E
E
E
{AgCI(s)/Ag}
RTmaCI
FCI
RTmad
FCI
(16-5)
RT式中:
E{AgCI(s)/Ag}E{Ag/Ag}InKSP
由上式可见,利用Nernst关系式可求得难溶盐的溶度积常数,为此我们将(16-2)、(16-4)两个电极连同盐桥组成电池(I)
EE
=EAg
E
/AgEAgCI(s)/Ag
RT
{Ag/Ag}—InaAg
(E
0.2224
0.000645(t25)V
其电动势可表示为:
RT
{Ag/Ag}—InKsp
RT
F
nacl)
=旺
F
整理得:
InKsp
少(%acI)
KspaAgacI
exo
(16-6)
(I)中左右半电池活度aCI和aAgAgCI的溶度积常数。
因此,给定电池
势,依上式即可求出
电池电动势一般采用Poggendoff对消法测定。
根据欧姆定律,电池电动势EI(Rr)VIr,r为电池内阻。
当回路中电流I0时,此时E=V,这就是对消法的基本原理,其测量方法如图1所示。
当K
与En连接时,移动接触点C,使G中无电流通过,此时AC上的电位降等于标准电池的电动势,又因AB是均匀电阻,故有
RT
,若测得电池(I)的电动
标淮电池
EnAC
VABab
而当K与待测电池Ex连接时,移动触点C',使回路中G上电流为零,贝
图1
对消法原理示意图
ExAC'
VabAB
ExAC'
1?
AC
在温度一定时,标准电池电动势En是定值,只要测量AC和AC',就可求得待测电池的电动势Ex。
三、仪器和药品:
仪器和材料:
UJ—25型直流电位差计(或数字式电位差综合测试仪);直流复射式检流计(10-9A/mm);毫安表;标准电池;甲级干电池(甲电池);饱和甘汞电极;银电极;银丝(纯度99.5%);KN03盐桥;10mL小烧杯;电阻箱。
药品:
饱和KCl溶液;0.0200molL・-1KCI溶液;0.1molL-1HCI溶液;稀氨水。
四、实验步骤:
1.
Ag/AgCl电极制备
取经退火处理过、直径约为0.5mm的银丝3根,用金相砂纸擦至发亮以除去银丝表面的氧化物,然后在稀氨水中浸泡数分钟。
取出用高纯度水洗净,再用滤纸吸干备用。
将其中二根银丝作阳极,另一根作阴极,分别插入0.1M的HCI溶液中,按图2所示的线路接通电路,调节电阻使阴极电流密度大约为5mA/cm2,电解20分钟,使银丝表面覆盖一层棕黑色的AgCl镀层。
镀层以均匀、致密为好。
电解完毕
取出制好的电极,用纯水洗净,再用滤纸吸干(但不可用滤纸摩擦,以防镀层
差最大可达土5mV,但该电极稳定性尚好,可用作参比电极。
1,2-银电极;3-
电阻箱;4-电源
电极制备:
电流值的选取(按电流密度3mA/cm2,浸入0.1MHCI中,长度为2cm(2根),银丝直径为0.5mm计算)
银丝表面积2nR*h=nDn*h
I=PI*S=5mA/cm2*{n*0.5*10「*2cm/根*2根}=3.14mA,取3mA
若银丝长度为3cm,则l=PI*S=5mA/cm2*[3.14*0.5*10-1*3cm/根*2根]=4.2mA约
4.5mA
在HDY-1恒电流仪上,若量程为10mA,电流量为-0.3mA,电压为+
-0.45mA*(10mA)=4.5mA
此时,红色夹子为“+”极,通过的电流密度为5mA/cm2
2.盐桥的制备
所谓“盐桥”,是指正负离子迁移数比较接近的盐类溶液(如KCI、KN03和NH4NO3等水溶液)所构成的桥,用来连接两个半电池中的两个溶液,使其不直接接界,以消除或减小液体接界电势。
以KNO3盐桥为例,其制备方法是
以琼胶:
KNO3:
H2O=1.5:
20:
50的比例加入到烧杯中,加热溶解,用滴管将其灌入干净的U形管中,U形管中及管端不能留有气泡,冷却后待用。
3.组建电池(I)
用1支Ag/AgCl电极、一个KNO3盐桥和一支Ag/Ag+电极组成电池(I),并依照电位差计使用说明,接好电动势测量线路。
注意:
标准电池、工作电池的正、负极不能接错。
盐桥在插入之前要用蒸馏水淋洗(切勿用自来水!
),并
用滤纸轻轻擦干,插入时注意在U形管口不要留有气泡。
两烧杯的液面基本平齐。
为了节省溶液,液面在烧杯1/3~1/2处即可。
4.校正工作电流
先读取环境温度,校正标准电池的电动势,调节直流电位差计面板右上方标准电池温度补偿旋钮至计算值。
将转换开关拨至“N”处,转动电位差计面板右方的工作电流调节旋钮“粗”“中”“细”“微”,使工作电流符合标准,校正
完毕后,右方的工作电流调节旋钮在测定过程中不要再动。
5.测电池(I)电池电动势
将转换开关拨至未知“X1”或“X2”处,将一支Ag/AgCl电极浸在0.0200molL-1KCl溶液中,测量此电池的电位,直至电位值在2~3分钟内基本不变(变化<0.1mV)为止。
Ag/AgCl电极在安装时应注意,勿将露出的银与溶液接触。
重复测定步骤,再测另一支Ag/AgCl电极的电位。
6.组建电池(U)
用饱和甘汞电极、KNO3盐桥和银电极组成电池(U)。
安装甘汞电极时应注意拨去橡皮套和橡皮塞,并使甘汞电极内的液面高出烧杯中的液面。
7.测电池(U)电池电动势
按步骤5测定。
五、数据处理:
A•理论值计算(实验温度T=14C):
(1)E甘汞电极=0.2415-0.00065(14-25)=0.2487(V)
A
EAg/Ag+=0.7991-0.00097(14-25)=0.8098(V)
g
EAg/AgCl=0.2224-0.000645(14-25)=0.2295(V)
⑵电池I:
E=E+-E-=E0Ag/Ag++RT/FlnaAg+—E0Ag/Agcl+RT/Flnacl-
=0.8098-0.2295+(8.314*287.15/96485)*
In(0.01*0.9*0.02*0.8)
=0.3614(V)
电池U:
E'=E+-E-=E%g/Ag++RT/FlnaAg+-E°甘汞电极-RT/Flnacl-
=0.8098-0.2487+RT/FlnaAg+/acl-=0.4474(V)
(3)E=E0Ag/Agcl-E0Ag/Ag+-RT/Fln(1/Ksp)=0(平衡)
InKsp=—EF/RT=-(0.5803*96485)/(8.324*287.15)=-23.9523988Ksp=3.95585*10「11
B•实验值:
实验温度:
14C_大气压:
102.10kPa
实验温度下的标准电动势1.01884V二
1.电池
(1):
(一)Ag(s),AgCI(s)|KCI(0.0200molL-1)||AgNO3(0.0100molL-1)|Ag(s)(+)
电池反应:
Ag/AgCl电极
编号
电动势(V)
理论计算值
测量值
1
0.3614
10.360325
20.360326平均0.360326
2
0.3614
10.358369
20.358323平均0.358346
总平均
0.359336
2.电池(n):
(一)Hg
(1),Hg2Cl2(s)|KCl(饱和)||AgNO3(0.0100molL-1)|Ag(s)(+)
电池反应:
电动势(V)
理论计算值
测量值
0.4474
1
2
0.441272
0.441297平均0.441284
六、讨论注意的问题:
1.测定线路接入时,标准电池应最后接入。
2.测定时,按钮不能长时间按下。
3•电极制备时,AgCl镀层应尽量卡些(浸入HCI液中的银丝应尽量长些)以免测定时未镀AgCl的银丝浸入溶液。
4.测量时小烧杯内溶液尽量等高。
5.甘汞电极使用时应拔去橡皮塞和橡皮套,电极内应有KCl晶体,电极内应有
KCl晶体,电极内液面应高于小烧杯内液面。
6.电极制备时,电流大小的制备匸J*A测。
七、思考题:
1、实验前为什么要读取室温?
答案:
为了求出室温下标准电池的电动势值,用于标准电池的校正。
2、如何测定未知电池的电动势(操作)
答案:
1)拔出“外标插孔”的测试线,再用测试线将被测电池按正、负极对应插入“测量插孔”。
2)将“测量选择”旋钮置于“测量”,将“补偿”旋钮逆时针旋到底。
c3)由大到小依次调节面板上“10°-10-4”五个旋钮,使“电位指示”显示的数值为负且绝对值最小。
4)调节“补偿旋钮”,使“检零指示”显示为“0000”,此时“电位指示”数值即为被测电池电动势的值。
5)重复上述各步,每隔2min测量一次,每个温度测三次,同时记录实验的准确温度即恒温槽中温度计的温度。
6)然后调节恒温槽的温度分别为其余4个温度,重复上述操作,测上述温度下电池的电动势E。
3、测定时为什么绝对不可将标准电池及原电池摇动、倾斜、躺倒和倒置?
答案:
标准电池及原电池摇动、倾斜、躺倒
和倒置会破坏电池中电极间的界面,使电池无非正常工作。
4、盐桥有什么作用?
答案:
盐桥可降低液体接界电势。
5、可逆电池应满足什么条件?
应如何操作才能
做到?
答案:
可逆电池应满足如下的条件:
⑴电池反应可逆,亦电极电池反应均可逆。
⑵电池中不允许存在任何不可逆的液接界。
⑶电池必须在可逆的情况下工作,即充放电过程必须在平衡态进行,亦即要求通过电池的电流应为无限小。
操作中
(1)由电池本性决定;
(2)加盐桥降低;(3)用对消法测量。
6、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,这时测得的是不是可逆电池电动势?
为什么?
答案:
因为有电流通过,不能满足可逆电池第三点,所不是可逆电池电动势。
7、为什么用伏特表不能准确测定电池电动势?
答案:
不能用伏特计测量电池电动势,就是因
为使用伏特计时,必须使回路中有电流通过才能驱动指针旋转,所测结果为不可逆电池两极间电势差,不是可逆电池电动势。
8参比电极有什么作用?
答案:
参比电极(二级标准电极)作用是代替标准氢电极测定电池电动势。
9、醌氢醌(Q•QH2)电极有什么用途?
答案:
可做为参比电极测溶液瓣PH值或氢离子浓度。
10、电池在恒温时(没测量时)为什么要将电钳松开?
答案:
防止电极极化
11、利用参比电极可测电池电动势,此时参比电极应具备什么条件?
答案:
参比电极应具备条件是:
容易制备,电极电势有一定值而且稳定。
12、如何制备醌氢醌(Q•QH2)电极?
答案:
在待测液中放入一定量的(Q-QH2),搅拌使这溶解,然后将一根铂电极放入待测液中。
13、为何测电池电动势要用对消法?
对消法的原理是什么?
答案:
可逆电池要求电路中无电流通过,用对消法可满足这个条件。
用一个方向相反,数值相等的外电势来抵消原电池的电动势,使连接两电极的导线上I0,这时所测出的E就等于被测电池的电动势E。
14、如何由实验求电池的温度系数eTp,答案:
通过测定恒压下电池在不同温度下的电动
势E,由E-T数据作E-T关系图。
从曲线的斜率可求任意温度下的温度系数ETp,
15、选用作盐桥的物质应有什么原则?
答案:
选用作盐桥的物质应有什么原则:
1盐桥中离子的r+~r-,t+~t_,使Ej〜0。
2盐桥中盐的浓度要很高,常用饱和溶液。
3常用饱和KCI盐桥,因为宀与CI-的迁移数相近。
作为盐桥的溶液不能与原溶液发生反应,当有Ag+时用KNO或Nh4N(3。
16、在测量电动势之前如何进行校准化操作?
(操作题)
答案:
0)根据室温按公式Es=1.0183-4.06W5(t-20),计算标准电池在该室温下的Es。
1)、将“测量选择”旋钮置于“外标”。
2)、将已知电动势的标准电池按“+”“一”极性与“外标插孔”连接。
3)、调节“10°-10-4”五个旋钮和“补偿”旋钮,使“电位指示"显示的数值与外标电池数值相同。
4)、待“检零指示”数值稳定后,调节调零旋钮,使"检零指示"显示为"0000"。
17、如何调节恒温槽温度?
答案:
例45.8±.1°C。
按下恒温控制器”的电源开关,左下角的红色按钮f左侧窗口显示的是当前恒温槽中的水温f按控制器”上的箭头”按钮进行调温f至右侧窗口设置实验温度区,十位数闪烁,f通过按“▲”“按钮使十位数为“4”再按箭头”按钮,至个位数闪烁,数字为“5”继续按箭头”按钮,至小数点后第一位数闪烁,数字为“8”继续按箭头”按钮,至左侧窗口的工作”灯亮,表示恒温槽开始工作f按控制器”上的回差”按钮,至0.1f将玻璃恒温水浴”上的加热器”上的开,关”按钮至开”当强,弱”按钮至强”档f将玻璃恒温水浴”上的水搅拌”上的开,关”按钮至开”档快,慢”按钮至慢”档f设置完毕,设置的温度为45.8±.1C。
18、SDC-nA型电位差计测定电动势过程中如何修正?
答案:
0)根据室温按公式Es=1.0183-4.06W"5(t-20),计算标准电池在该室温下的Es。
1)、将“测量选择”旋钮置于“外标”。
2)、将已知电动势的标准电池按“+”“一”极性与“外标插孔”连接。
3)、调节“10°-10-4”五个旋钮和"补偿”旋钮,使"电位指示"显示的数值与外标电池数值相同。
4)、待“检零指示"数值稳定后,调节调零旋钮,使"检零指示"显示为"0000"。
19、如何使用甘汞电极,使用时要注意什么问
题?
答案:
1)、使用时要把电极下面的塞取下。
2)、使用时要用蒸馏水冲洗电极下方,用滤纸擦干。
3)、使用前要观察甘汞电极玻璃管是否还有液体,如果没了要重新加液或换一根新的。
20、如何防止电极极化?
答案:
电路中如果有电流通过就会产生极化现
象,在测量过程中始终通电,因此测量的速度要快,这样测出的数据才准,如果测量的时间越长,则电极极化现象越严重,不测量时电钳要松开。
21、本实验可否使用KCI盐桥?
为什么实验中不能用自来水淋洗盐桥?
答案:
本实验不能使用KCI盐桥,选用盐桥的首要条件是盐桥不与溶液反应,溶液中含有Ag+,会于CI-反应沉淀。
实验中不能用自来水淋洗盐桥,制备盐桥的首要条件是盐桥中正,负离子迁移速率相近,自来水中含有Ca2+,Mg2+等离子,用其冲洗盐桥,会使盐桥正,负离子迁移相近的条件受到破坏,从而给本实验的测定带来误差。
22.为什么不能用伏特计直接测定电池电动
势?
答案:
电池电动势的测定必须在电流接近于零的条件下进行,倘若用伏特表直接测定,虽然伏特计的内阻非常大,远远大于电池电阻,但用伏特计测定时其电流远大于零,消耗在电池内阻上的电流是不可忽视的。
即使说实验误差偏大,所得实验值与真实值偏大。
23.长时间按下按钮接通测量线路,对标准电池电动势的标准性以及待测电池电动势的测量有无影响?
答案:
标准电池是高度可逆电池,其工作条件是通过的电流无限大,长时
间按下按钮接通测量线路,在电流非无限的条件,会破坏标准电池的可逆性。
标准电池作为标准,受到破坏后,其电动势就变了,再以EX/EN=Ac'/Ac公式计算时,其EN还用原值,从而待测电动势的测量就不准确。
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