实验九原电池电动势的测定及应用

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1、实验九原电池电动势的测定及应用一、实验目的1.测定Cw-Zw电池的电动势和Cw、Zn电极的电极电势。2.学会几种电极的制备和处理方法。3.掌握SDC-III数字电位差计的测量原理和正确的使川方法。二、实验原理电池由正、负两极组成。电池在放电过程中，正极起还原反应，负极起氧化反应，电池内部还可以发生其它反应，电池反应是电池中所有反应的总和。电池除可用来提供电能外，还可用它来研宄构成此电池的化学反应的热力学性质。从化学热力学知道，在恒温、恒压、可逆条件下，电池反应有以下关系：AC=-nFE(9-1)式巾AG是电池反应的吉布斯自由能增量；n为电极反应

2、巾得失电子的数目；F力法拉第常数(其数侪为96500C，/m?厂1);£为电池的电动势。所以测出该电池的电动势£后，进而又可求出其它热力学函数。但必须注意，测定电池电动势时，首先要求电池反应本身是可逆的，可逆电池应满足如下条件：(1)电池反应W逆，亦即电池电极反应W逆；(2)电池中不允许存在任何不可逆的液接界；(3)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下进行，亦即允许通过电池的电流为无限小。因此在制备可逆电池、测定可逆电池的电动势时应符合上述条件，在精确度不岛的测M中，常用正负离子迁移数比较接近的盐类构成“盐桥”来消除液接电位。

3、在进行电池电动势测量时，为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行，采用电位计测量。原电池电动势主要是两个电极的电极电势的代数和，如能测定出两个电极的电势，就可计算得到由它们组成的电池的电动势。由(9-1)式可推导出电池的电动势以及电极电势的表达式。下面以铜-锌电池为例进行分析。电池表示式为：Zn(s)

4、ZnSO4)

5、

6、CuSO4(m2)

7、Cu(s)符号“I”代表同相(Z/7或cw)和液相(ZzzSO4或CmSO4)两相界而；“II”代表连通两个液相的“盐桥”；％和％分別力ZnSO4和CuSO4的质量摩尔浓度。负极起氧化反应:当电池放电时，Za7

8、(5)DZz72+(^f2+)4-2e-{}正极起还原反应:C“2U+2dCu(s)电池总反成力:2+Zn(s)+Cu2+(«Cm2+)□Z/7Z+(“w)+Cw(5)电池反应的吉布斯自由能变化值为:>+ar„AG=AGe-/?7lnz,r(9-2)上述式中△Cje*标准态吋自由能的变化值；为物质的活度，纯固体物质的活度等于1，即=1。而在标态时，^^2+==1，则有：AG=AG°=-nFEe(9-3)式中£e为电池的标准电动势。由(9-1)至(9-1)式可得：(9-4)对于任一电池，其电动势等于两个电极电势之差值，其计算式为:E-(p^~(p

9、^(9-5)对铜-锌电池而言，c"2Fcic"2+式中A+Ch是当％?+=b(9-6)(9-7)=1时，铜电极和锌电极的标准电极电势。对于单个离子，其活度足无法测定的，但强电解质的活度与物质的平均质:W:摩尔浓度和平均活度系数之间有以下关系：a7,=r±m(9_8)〜，=戸2(9_9)/±是离子的平均离子活度系数，其数值大小与物质浓度、离子的种类、实验温度等因数有关。在电化学中，电极电势的绝对值至今无法测定，在实际测量中是以某一电极的电极电势作为零标准，然后将其它的电极(被研究电极)与它组成电池，测量其间的电动势，则该电动势即为该被测电极的电

10、极电势。被测电极在电池屮的正、负极性，可由它与零标准电极两者的还原电势比较而确定。通常将氢电极在氢气压力为101325凡/，溶液屮氢离子活度为1时的电极电势规定为零伏，即=0,称为标准氢电极，然后与其它被测电极进行比较。由于氢电极使用不便，常用另外一些易制备、电极电势稳定的电极作为参比电极，常用的参比电极有甘汞电极。以上所讨论的电池是在电池总反应中发生了化学变化，因而被称为化学电池。还有一类电池叫做浓差电池，这种电池在净作用过程屮，仅仅是一种物质从高浓度(或高压力)状态向低浓度(或低压力)状态转移，从而产生电动势，而这种电池的标准电动势等于零伏

11、。例如电池Cu(s)

12、Cw(0.01000mc?/-dm~3)\Cw(0.1000^/-dm~3)

13、Cu(s)就是浓差电池的一种。电池电动势的测量工作必须在电池可逆条件下进行，必须指出，电极电势的大小，不仅与电极种类、溶液浓度有关，而且与温度有关。本实验是在实验温度下测得的电极电势仍.，由(9-6)式和(9-7)式可计算％e。为了比较方便起见，可采用下式求山298K时的标准电极电势滅8j＜。(pf=(f^K-t-a{T-298/C)+-29SK)2式中汉、#为电极电势的温度系数。对于Cu-Zn电池来说：铜电极(Cw2+，Cua=-0.016

14、x1(T3V•O0锌电极[Zn2+,Zn(Hg)],a=0.100x10_3V•/T1，f=0.62x10_6V♦/T2三、仪器和试剂SDC-1II电