1、基础化学实验基础化学实验物理化学物理化学原电池电动势和电极电原电池电动势和电极电势的测量势的测量 西北大学国家级化学实验教学示范中心西北大学国家级化学实验教学示范中心知识点：知识点：原电池电动势、电极电势原电池电动势、电极电势、能斯特方程。、能斯特方程。实验技能训练实验技能训练要点：要点：常用电极的制备；常用电极的制备；检流计、标准电池、稳压电源、检流计、标准电池、稳压电源、电位差计电位差计的使用的使用；原电池电动势的测定原电池电动势的测定。知识点及实验技能训练要点知识点及实验技能训练要点一、实验目的一、实验目的二、实验原理二、实验原理三、实验步骤三、实验步骤 四、注意事项四、注意事项五、实验
2、总五、实验总结结六、实验延伸六、实验延伸七、思考题七、思考题一、实验目的一、实验目的1. 学会几种电极和盐桥的制备方法；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；掌握对消法测量可逆电池电动势的原理；3. 掌握掌握UJ-25型电位差计的使用方法；型电位差计的使用方法；4. 学会电池的电动势的测定；学会电池的电动势的测定；5. 计算计算Cu、Zn电极的电极电势。电极的电极电势。（一）可逆电池（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）。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。电池由两个电极和连通两个
3、电极的电解质溶液组成。对定温定压下的对定温定压下的可逆电池可逆电池而言而言: :m,r)G(TpnFE 式中，式中，F为法拉弟为法拉弟（Farady）常数；）常数；n为电极反应式中为电极反应式中电子的得失数；电子的得失数；E为电池的电动势。为电池的电动势。E可借助于电可借助于电位差计测定位差计测定二、实验原理二、实验原理（二）电位差计（二）电位差计电位差计是利用补偿法在电池无电位差计是利用补偿法在电池无电流（或极小电流）通过时测得电流（或极小电流）通过时测得两电极的电位差两电极的电位差工作原理图工作原理图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（三）电极电势、电池电动势（三）电
4、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，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 分别代表正、负极的电极电势。分别代表正、负极的电极电势。和lnRTzF还原氧化_lnRTzF还原氧化R8.134 Jmol-1K-1； F96500 Cmol-1； T是绝对温度；是绝对温度；z是反应中得失电子的数量，是反应中得失电子的数量，为参与电极反应的物质的活度。为参与电极反应的物质的活度。E是原电池的电动势是原电池的电动势以Cu-Zn电池为例，其电池表达式为：Zn Z
5、nSO4(m1) CuSO4 (m2) Cu2-2ZnZn-2eZn负极反应：（） 2+22+2CuZnZn+CuCu+Zn电池反应：（）（）22-CuCu+ 2eCu正极反应：（）22Cu,CuZn,ZnE该电池的电动势：222Zn,ZnZn,ZnZnRT1lnZF锌电极的标准电极电势222Cu,CuCu,CuCuRT1lnZF铜电极的标准电极电势2+2Cum（）2+1Znm（） 2Cu,CuE（饱和甘汞） 由饱和甘汞电极的电极电势温度校正公式求得（饱和甘汞）测得电动势E，则可以确定2Cu,Cu进而可求出 2Cu,Cu2Zn,Zn同理可以确定2Zn,Zn和选择一个电极电势已知的电极，如饱和甘
6、汞电极，让它选择一个电极电势已知的电极，如饱和甘汞电极，让它与与Cu电极组成电池，该电池的电动势为：电极组成电池，该电池的电动势为：工作电源电位差计检流计标准电池待测电池仪器装置仪器装置1. 将标准电将标准电池、工作电池、工作电池、检流计池、检流计与电位差计与电位差计面板相应位面板相应位置相连。置相连。2. 调节工作调节工作电池电压约电池电压约为为2 V。三、实验步骤三、实验步骤连接时应连接时应注意极性注意极性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。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。4. 调节工作电流：调节工作电流：将（将（N、X1、X2）转换开
7、关置于转换开关置于“N”236/1.018646 40.6( /20)0.95( / 20)0.01( / 20) 10tE Vttt标准电池电动势：标准电池电动势：依次旋动粗依次旋动粗”、“中中”、“细细”、“微微” ” ，直至，直至检流计不再偏转检流计不再偏转为止。为止。若检流计总朝一若检流计总朝一个方向偏转，应个方向偏转，应如何排查？如何排查？（1）组装）组装Cu-Zn电池电池: 在两个干净的小烧杯内分别加入在两个干净的小烧杯内分别加入30 mL 0.10 mol/kg ZnSO4和和CuSO4溶液，以饱和溶液，以饱和KCl盐桥联通两烧杯。盐桥联通两烧杯。分别插入打磨干净的分别插入打磨干
8、净的Zn、Cu电极，电极导线与电极，电极导线与电位差计面板上未知电池电位差计面板上未知电池1或未知电池或未知电池2相接相接。 （2）将）将电位差计面板电位差计面板上的上的转换开关转换开关（N、X1、X2）置于）置于“X1”或或“X2”位置，依次位置，依次从大到小调节面板中从大到小调节面板中部的六个旋钮，直至部的六个旋钮，直至检流计不再偏转为止。检流计不再偏转为止。读出数字，即为读出数字，即为Cu-Zn电池的电动势。电池的电动势。5. 测未知电池电动势测未知电池电动势（3 3）同理测量其他未知电池电动势）同理测量其他未知电池电动势“盐桥盐桥”的作用是什么？的作用是什么？1. 标准电池属精密仪器，
9、不可横放、倒置或摇动。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。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（按电计按钮的时间要短（ 1s），不能一直按下按钮；调节），不能一直按下按钮；调节旋钮时，电计按钮要松开。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。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饱和甘汞电极使用时要将电极
10、帽取下，用毕后用饱和氯化钾溶液浸泡。溶液浸泡。四、注意事项四、注意事项( (一一).).数据处理数据处理1. 写出实验时的室温写出实验时的室温t及该温度下标准电池的电动势值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：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) 饱和甘汞电极饱和甘汞电极(+)
11、 E =d) (-)饱和甘汞电极饱和甘汞电极CuSO4(0.10 mol/kg) | Cu (+) E =五、实验总结五、实验总结TT （理论）3 3. . 根据饱和甘汞电极的电极电势温度校正公式根据饱和甘汞电极的电极电势温度校正公式，计算实验，计算实验温度时饱和甘汞电极的电极电势；温度时饱和甘汞电极的电极电势；(c) 由电极电势温度校正公式分别计算铜、锌电极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。计算其相对误差。5. 计算电池计算电池(1)的的 ，并进一步计算，并进一步计算计算其相对误差。计算其相对误差。TE （理论）TE （理论）公式中注意使用活度4. 电池电池(3)、(4
12、)的电动势测量值结合的电动势测量值结合饱和甘汞电极的电极电势饱和甘汞电极的电极电势：(a) 分别计算铜、锌电极的分别计算铜、锌电极的 ；(b) 分别计算铜、锌电极的分别计算铜、锌电极的 。T公式中注意使用活度1. 工作电源要有足够的容量，才能保证工作电流恒定。工作电源要有足够的容量，才能保证工作电流恒定。2. 如果检流计本身是好的，按键后检流计光点不动，则说明线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。路中必有断路。3. 如果检流计本身是好的，光点总是朝一个方向偏转，则表明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：达不到补偿
13、，这可能是由以下原因造成： 被测电势高于电位差计的限量；被测电势高于电位差计的限量； 工作电源没有输出，或输出电动势过高或过低；工作电源没有输出，或输出电动势过高或过低； 工作电流回路中有断路；工作电流回路中有断路； 工作电源、标准电池或待测电池的极性接反。工作电源、标准电池或待测电池的极性接反。（二）（二）. 讨论讨论4. 在测量电池电动势时，尽管我们采用的是对消法，但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中不能一直按下电键按钮，否则回路中将
14、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，在理论值附近了又快又准地测量，应事先计算理论值，在理论值附近调节。调节。原电池电动势的测量，是测定一系列物理化学常数所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最常用的方法之一的方法之一。在科研工作中具有重要的意义。例如，平衡。在科研工作中具有重要的意义
15、。例如，平衡常数、活度系数、解离常数、溶解度、配合常数、溶液中常数、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池电动势的测定来求得1。通过电动势法研究季铵盐通过电动势法研究季铵盐Gemini表面活性剂与牛血清白蛋表面活性剂与牛血清白蛋白白( BSA ) 之间的相互作用之间的相互作用, 得到它们结合过程的结合等温得到它们结合过程的结合等温线和对应的线和对应的Scatchard曲线曲线, 并通过结合能力的概念得到了并通过结合能力的概念得到了结合过程的结合位点数、结合过程的结合位
16、点数、Hill系数及系数及Hill结合常数结合常数2 。六、实验延伸六、实验延伸参考文献参考文献1. 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2. 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）：826-8301.1. 写出标准电池的电极反应和电池反应。并结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？合相图分析为什么该电池可用作标准电池？2. 2. 选择选择“盐桥盐桥”液应注意什么问题液应注意什么问题? ?3. 3. 分析可否直接用伏特计来测定电池电动势？分析可否直接用伏特计来测定电池电动势？七七 、思考题、思考题
