电动势的测定

学号：[1**********]0

物理化学实验报告

实验名称：

药学班级组号

实验人姓名：罗媛

同组人姓名：李楚芳，兰婷

指导老师： 杨余芳

实验日期：2014-05-09

湘南学院化学与生命科学系

一、 实验目的

（1） （2） （3）

通过实验加深对可逆电池，可逆电极和盐桥等概念的理解。 了解ZD-WC电子电位差计和UJ-25型电位差计的测量原理 测量铜-锌原电池的电动势，计算反应的热力学函数。

二、 实验原理

原电池是由正负电极和一定的电解质溶液所组成。电池的电动势等于两个电极电位的差值（液接电位用盐桥已消除），即

=E+-E- ， E+ 是正极的电极电位， E- 是负极的电极电位。

电极电势的大小与电极的性质和溶液中有关离子的活度有关，以铜锌电池为例：

RT

E- = E(Zn|Zn2+)- 2F

ln

a(Zn)a(Zn2+）

RT

E+ = E(Cu|Cu2+)- 2F

ln

a(Cu)a(Cu2+）

由于Cu、Zn为纯固体，它们的活度为1，则式可书写为：

为溶液中锌离子的活度

和铜离子的活度

均等于1时的电池的电动势（即

原电池的标准电动势）。

铜锌原电池是由两个“半电池”所组成，而每一个半电池中有一个电极和相应的电解质溶液。在铜锌原电池放电反应中，正极起还原反应，负极起氧化反应，电池反应是两个电极反应的总和，其电动势为组成该电池的两个半电池的电极电势的代数和。在恒温恒压、可逆条件下，各热力学函数与电池电动势有如下关系：

式中：F是法拉第常数（96485.34C），z是电池输出元电荷的物质的量，E是可逆电池的

电动势。故只要在恒温恒压下测出铜锌电池的电动势E和电动势的温度系数，便可求出各热力学函数。

三、 仪器与药品

ZD-WC精密数字式电子电位差计(或UJ-25型电位差计l台，光电检流计1台)，电极管3个，表面皿1个，50ml烧杯3个，250ml的烧杯1个、400ml的烧杯1个，干电池2个，饱和甘汞电极1个，标准电池1个；0.1000mol·L-1CuSO4溶液，0.0100mol·L-1ZnSO4溶液，饱和KCl溶液，饱和Hg2(NO3)2溶液，镀铜溶液，稀H2SO4溶液，6m01·L-1HNO3溶液。

四、实验步骤

1.电极制备

(1)锌电极 用肥皂或去污粉，洗去Zn片上的油污，再用洗净的小烧杯盛稀硫酸浸洗锌片表面上的氧化层，然后用水洗涤，再用蒸馏水淋洗，然后浸在饱和硝酸亚汞溶液中0.5s使其汞齐化，取出后用滤纸擦亮其表面，并用蒸馏水洗净(汞有剧毒，用过的滤纸应投入指定的废液缸内，不要随便乱丢)，再用少许0.1000mol·L0.1000mol·L

-1

-1

ZnSO4溶液洗2次后插入盛有

ZnSO4溶液的小烧杯内待用，没有汞齐化的部分不要浸入溶液中。汞齐化

-1

的目的是消除金属表面机械应力不同的影响，使它获得重现较好的电极电势。

(2)铜电极 用肥皂或去污粉洗去Cu片上的油污，再将铜片在硝酸(约6mol·L极，另取一铜片作为阴极，在镀铜溶液中进行电镀，电流密度为10mA·cm

-2

)内

洗片刻，取出后冲洗干净，再镀一层铜于其表面上，方法如下：将2个铜片连在一起作为阳

150min。

镀好后用蒸馏水冲洗，再用少许0.1000mol·L0.1000mol·L

2

．测量电池的电动势

-1

-1

CuSO4溶液冲洗2次，然后插入盛有

CuSO4溶液的小烧杯中待用。没有电镀的部分，不要浸入溶液中。

(1)接好电动势的测量电路 小心轻拿轻放标准电池和甘汞电极，夹Cu片和Zn片的夹

子不要接触溶液。

(2)按式E=1.01865-4.06×10

-5

(t-20)-9.5×10

-7

(t-20) (式中的t为摄氏温度)，

2

计算出室温下标准电池的电动势值。

当时室温为20℃ 所以 标准电池电动势E=

(4)测量下列各电池电动势： Zn｜ZnSO4(0.1000mol·LZn｜ZnSO4(0.1000mol·L

-1-1

1.01865V

(3)按计算得的标准电池电动势值标定电位差计的工作电流。

)‖CuSO4(0.1000mol·L

-1

)

｜Cu

)‖KCl(饱和)，Hg2Cl2

｜Hg

四、 结果与处理

(1)根据E=0.2415-7.6×10

-4

(T-298)计算室温时饱和甘汞电极的电极电势。

室温为20℃ 293.15K由此可算出

E=0.2415-7.610-4*(293.15-298)= 0.256244 V

(2)计算下列电池电动势的理论值： Zn｜ZnSO4(0.1000mol·L

-1

)‖CuSO4

(0.1000mol·L

-1

)｜Cu

标准电极电势与温度的关系如下：

dEZn

9.1105VK1

dT (Ⅱ-14-4)

dE

Cu

8.0106VK1

dT (Ⅱ-14-5)

计算时，物质的浓度用活度表示：

22aZnCZn

(Ⅱ-14-6)

22aCu

CCu

(Ⅱ-14-7)

a(Zn)RTlna(Cu)ln

00

E+ = E(Cu|Cu2+)- E(Zn|Zn2+) - 2Fa(Cu2+） a(Zn2+）

查表可知E0(Cu|Cu2+)=0.3419V E0(Zn|Zn2+)=-0.7618V

22

aZnCZn

=0.148*0.1000=0.0148

22aCuCCu

=0.164*0.1000=0.0164

E= ECu☉- EZn☉-(RT/2F)ln(ɑZn2+/ɑCu2+) 代入数据

结果解得 E=1.10240366V

(3)根据下列电池动势的实验值分别计算出锌及铜的电极电势以及它们的标准电极电

势，并与手册中查得的数据比较。

Zn｜ZnSO4(0.1000mol·L

-1

)‖KCl(饱和)，Hg2Cl2｜Hg

-1

Hg｜KCl(饱和)，Hg2Cl2‖CuSO4(0.1000mol·L

)｜Cu

(1) E1= EHg2 - EZn=0.256244V - EZn=1.03356V 解得：EZn =-0.77316V E2= ECu –EHg2= ECu–0.256244V=0.12819V 解得：ECu=0.384434V

(2) EZn = E0(Zn|Zn2+)–RT/2Fln(ɑZn/ɑZn2+ ) 求得EZn =-0.77316V

22aCZnZn已知 =0.148*0.1000=0.0148

代入可得E0(Zn|Zn2+)=-0.7199556V 同理可得E0(Cu|Cu2+)=0.43634201V

误差分析：

（一）检流计光标较难调节，浮动较大，不稳定。很难调到零点。 （二）理论值温度条件一般为298K，而实际试验测量时温度293.15K，条件不同，测量结果很难进行比较。 六、注意事项

①电极必须经过仔细处理，否则数值差别大，且无法重复，处理好的关键是电极表面的清洁，判断的标准是处处均匀一致，只有一处不均匀，就应重新处理，未处理的部分或者夹子接触溶液，等于电极没有处理。浸洗锌片的烧杯和稀H2SO4中如混有Cu等比锌不活泼的金属离子，这些离子将会沉积在锌片上，影响测定，故应注意洗净烧杯，不要回收稀H2SO4。

②电桥中任一电池电极接反、接触不良、工作电池电压太低(或内阻过大)，都不能对消。

③各个电池都要静置10-15min，待电极与溶液达成平衡后，才能测得稳定的值，如果碰动或搅动了，要重新静置。标准电池、测量电极扰动了，要数小时才能平衡，更需要注意轻拿轻放。

④为了防止电池组成和浓度发生变化，溶液和盐桥都不得引进杂质；按电键必须由粗到细，快按快松!

⑤工作电池的电势随时在变化，因此每次正式测定前要校正，特别是电池电能不足和开始工作不久更需注意。为了减少工作电池的消耗，不测时应断开电路。

学号：[1**********]0

物理化学实验报告

实验名称：

药学班级组号

实验人姓名：罗媛

同组人姓名：李楚芳，兰婷

指导老师： 杨余芳

实验日期：2014-05-09

湘南学院化学与生命科学系

一、 实验目的

（1） （2） （3）

通过实验加深对可逆电池，可逆电极和盐桥等概念的理解。 了解ZD-WC电子电位差计和UJ-25型电位差计的测量原理 测量铜-锌原电池的电动势，计算反应的热力学函数。

二、 实验原理

原电池是由正负电极和一定的电解质溶液所组成。电池的电动势等于两个电极电位的差值（液接电位用盐桥已消除），即

=E+-E- ， E+ 是正极的电极电位， E- 是负极的电极电位。

电极电势的大小与电极的性质和溶液中有关离子的活度有关，以铜锌电池为例：

RT

E- = E(Zn|Zn2+)- 2F

ln

a(Zn)a(Zn2+）

RT

E+ = E(Cu|Cu2+)- 2F

ln

a(Cu)a(Cu2+）

由于Cu、Zn为纯固体，它们的活度为1，则式可书写为：

为溶液中锌离子的活度

和铜离子的活度

均等于1时的电池的电动势（即

原电池的标准电动势）。

铜锌原电池是由两个“半电池”所组成，而每一个半电池中有一个电极和相应的电解质溶液。在铜锌原电池放电反应中，正极起还原反应，负极起氧化反应，电池反应是两个电极反应的总和，其电动势为组成该电池的两个半电池的电极电势的代数和。在恒温恒压、可逆条件下，各热力学函数与电池电动势有如下关系：

式中：F是法拉第常数（96485.34C），z是电池输出元电荷的物质的量，E是可逆电池的

电动势。故只要在恒温恒压下测出铜锌电池的电动势E和电动势的温度系数，便可求出各热力学函数。

三、 仪器与药品

ZD-WC精密数字式电子电位差计(或UJ-25型电位差计l台，光电检流计1台)，电极管3个，表面皿1个，50ml烧杯3个，250ml的烧杯1个、400ml的烧杯1个，干电池2个，饱和甘汞电极1个，标准电池1个；0.1000mol·L-1CuSO4溶液，0.0100mol·L-1ZnSO4溶液，饱和KCl溶液，饱和Hg2(NO3)2溶液，镀铜溶液，稀H2SO4溶液，6m01·L-1HNO3溶液。

四、实验步骤

1.电极制备

(1)锌电极 用肥皂或去污粉，洗去Zn片上的油污，再用洗净的小烧杯盛稀硫酸浸洗锌片表面上的氧化层，然后用水洗涤，再用蒸馏水淋洗，然后浸在饱和硝酸亚汞溶液中0.5s使其汞齐化，取出后用滤纸擦亮其表面，并用蒸馏水洗净(汞有剧毒，用过的滤纸应投入指定的废液缸内，不要随便乱丢)，再用少许0.1000mol·L0.1000mol·L

-1

-1

ZnSO4溶液洗2次后插入盛有

ZnSO4溶液的小烧杯内待用，没有汞齐化的部分不要浸入溶液中。汞齐化

-1

的目的是消除金属表面机械应力不同的影响，使它获得重现较好的电极电势。

(2)铜电极 用肥皂或去污粉洗去Cu片上的油污，再将铜片在硝酸(约6mol·L极，另取一铜片作为阴极，在镀铜溶液中进行电镀，电流密度为10mA·cm

-2

)内

洗片刻，取出后冲洗干净，再镀一层铜于其表面上，方法如下：将2个铜片连在一起作为阳

150min。

镀好后用蒸馏水冲洗，再用少许0.1000mol·L0.1000mol·L

2

．测量电池的电动势

-1

-1

CuSO4溶液冲洗2次，然后插入盛有

CuSO4溶液的小烧杯中待用。没有电镀的部分，不要浸入溶液中。

(1)接好电动势的测量电路 小心轻拿轻放标准电池和甘汞电极，夹Cu片和Zn片的夹

子不要接触溶液。

(2)按式E=1.01865-4.06×10

-5

(t-20)-9.5×10

-7

(t-20) (式中的t为摄氏温度)，

2

计算出室温下标准电池的电动势值。

当时室温为20℃ 所以 标准电池电动势E=

(4)测量下列各电池电动势： Zn｜ZnSO4(0.1000mol·LZn｜ZnSO4(0.1000mol·L

-1-1

1.01865V

(3)按计算得的标准电池电动势值标定电位差计的工作电流。

)‖CuSO4(0.1000mol·L

-1

)

｜Cu

)‖KCl(饱和)，Hg2Cl2

｜Hg

四、 结果与处理

(1)根据E=0.2415-7.6×10

-4

(T-298)计算室温时饱和甘汞电极的电极电势。

室温为20℃ 293.15K由此可算出

E=0.2415-7.610-4*(293.15-298)= 0.256244 V

(2)计算下列电池电动势的理论值： Zn｜ZnSO4(0.1000mol·L

-1

)‖CuSO4

(0.1000mol·L

-1

)｜Cu

标准电极电势与温度的关系如下：

dEZn

9.1105VK1

dT (Ⅱ-14-4)

dE

Cu

8.0106VK1

dT (Ⅱ-14-5)

计算时，物质的浓度用活度表示：

22aZnCZn

(Ⅱ-14-6)

22aCu

CCu

(Ⅱ-14-7)

a(Zn)RTlna(Cu)ln

00

E+ = E(Cu|Cu2+)- E(Zn|Zn2+) - 2Fa(Cu2+） a(Zn2+）

查表可知E0(Cu|Cu2+)=0.3419V E0(Zn|Zn2+)=-0.7618V

22

aZnCZn

=0.148*0.1000=0.0148

22aCuCCu

=0.164*0.1000=0.0164

E= ECu☉- EZn☉-(RT/2F)ln(ɑZn2+/ɑCu2+) 代入数据

结果解得 E=1.10240366V

(3)根据下列电池动势的实验值分别计算出锌及铜的电极电势以及它们的标准电极电

势，并与手册中查得的数据比较。

Zn｜ZnSO4(0.1000mol·L

-1

)‖KCl(饱和)，Hg2Cl2｜Hg

-1

Hg｜KCl(饱和)，Hg2Cl2‖CuSO4(0.1000mol·L

)｜Cu

(1) E1= EHg2 - EZn=0.256244V - EZn=1.03356V 解得：EZn =-0.77316V E2= ECu –EHg2= ECu–0.256244V=0.12819V 解得：ECu=0.384434V

(2) EZn = E0(Zn|Zn2+)–RT/2Fln(ɑZn/ɑZn2+ ) 求得EZn =-0.77316V

22aCZnZn已知 =0.148*0.1000=0.0148

代入可得E0(Zn|Zn2+)=-0.7199556V 同理可得E0(Cu|Cu2+)=0.43634201V

误差分析：

（一）检流计光标较难调节，浮动较大，不稳定。很难调到零点。 （二）理论值温度条件一般为298K，而实际试验测量时温度293.15K，条件不同，测量结果很难进行比较。 六、注意事项

①电极必须经过仔细处理，否则数值差别大，且无法重复，处理好的关键是电极表面的清洁，判断的标准是处处均匀一致，只有一处不均匀，就应重新处理，未处理的部分或者夹子接触溶液，等于电极没有处理。浸洗锌片的烧杯和稀H2SO4中如混有Cu等比锌不活泼的金属离子，这些离子将会沉积在锌片上，影响测定，故应注意洗净烧杯，不要回收稀H2SO4。

②电桥中任一电池电极接反、接触不良、工作电池电压太低(或内阻过大)，都不能对消。

③各个电池都要静置10-15min，待电极与溶液达成平衡后，才能测得稳定的值，如果碰动或搅动了，要重新静置。标准电池、测量电极扰动了，要数小时才能平衡，更需要注意轻拿轻放。

④为了防止电池组成和浓度发生变化，溶液和盐桥都不得引进杂质；按电键必须由粗到细，快按快松!

⑤工作电池的电势随时在变化，因此每次正式测定前要校正，特别是电池电能不足和开始工作不久更需注意。为了减少工作电池的消耗，不测时应断开电路。