原电池电动势的测定与应用.doc
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原电池电动势的测定与应用
一、实验目的
1)掌握电位差计的测量原理和测量原电池电动势的方法;
2)掌握电动势法测定化学反应热力学函数变化值的有关原理和方法;
3)加深对可逆电池,可逆电极、盐桥等概念的理解;
4)测定电池
(1)的电动势;
5)了解可逆电池电动势测定的应用;
6)根据可逆热力学体系的要求设计可逆电池,测定其在不同温度下的电动势值,计算电池反应的热力学函数△G、△S、△H。
二、实验原理
1.用对消法测定原电池电动势:
原电池电动势不能能用伏特计直接测量,因为电池与伏特计连接后有电流通过,就会在电极上发生生极化,结果使电极偏离平衡状态。
另外,电池本身有内阻,所以伏特计测得的只是不可逆电池的端电压。
而测量可逆电池的电动势,只能在无电流通过电池的情况下迚行,因此,采用对消法。
对消法是在待测电池上并联一个大小相等、方向相反的外加电源,这样待测电池中没有电流通过,外加电源的大小即等亍待测电池的电动势。
2.电池电动势测定原理:
Hg|Hg2Cl2(s)|KCl(饱和)||AgNO3(0.02mol/L)|Ag
根据电极电位的能斯特公式,正极银电极的电极电位:
其中φAg/Ag+=0.799-0.00097(t-25)
负极饱和甘汞电极电位因其氯离子浓度在一定温度下是个定值,故其电极电位只与温度有关,其关系式:
φ饱和甘汞=0.2415-0.00065(t–25)
而电池电动势E=φ+-φ-;可以算出该电池电动势的理论值。
与测定值比较即可。
3.注意事项
①盐桥的制备不使用:
重复测量中须注意盐桥的两端不能对调;
②电极不要接反。
三、实验仪器及用品
1.实验仪器
SDC数字电位差计、饱和甘汞电极、银电极、250mL烧杯、20mL烧杯、U形管
2.实验试剂
0.02mol/L的硝酸银溶液、饱和氯化钾溶液、硝酸钾、琼脂
四、实验步骤
1.制备盐桥
3%琼脂-饱和硝酸钾盐桥的制备方法:
在250mL烧杯中,加入100mL蒸馏水和3g琼脂,盖上表面皿,放在石棉网上用小火加热至近沸,继续加热至琼脂完全溶解。
然后加入40g硝酸钾,充分搅拌使硝酸钾完全溶解后,趁热用滴管将它灌入干净的U形管中,两端要装满,中间不能有气泡,静置待琼脂凝固后便可使用。
制备好的盐桥不使用时应浸入饱和硝酸钾溶液中,防止盐桥干涸。
2.组合电池
将饱和甘汞电极插入装有饱和硝酸钾溶液的广口瓶中。
将一个20mL小烧杯洗净后,用数毫升0.02mol/L的硝酸银溶液连同银电极一起淌洗,然后装此溶液至烧杯的2/3处,插入银电极,用硝酸钾盐桥不饱和甘汞电极连接构成电池。
3.测定电池的电动势
①根据Nernst公式计算实验温度下电池(I)的电动势理论值。
②正确接好测量电池(I)的线路。
电池与电位差计连接时应注意极性。
盐桥的两支管应标号,让标负号的一端始终不含氯离子的溶液接触。
仪器要注意摆布合理并便于操作。
③用SDC数字电位差计测量电池(I)的电动势。
每隔2min测一次,共测三次。
④接通恒温槽电源进行恒温,分别达到40.0℃、44.0℃、48.0℃、52.0℃、56.0℃,温度波动范围要求控制在正负0.2℃之内。
把被测电池放入恒温槽中恒温15min,同时将原电池引出线连接到SDC型数字式电位差计的待测接线柱上(注意正负极的连接),测定其电动势,每隔2分钟再测1次,直至电位差计读数稳定为止。
⑤然后调节恒温槽,令恒温升温4℃,重复上述操作,然后再升温并进行测定。
⑥测量完毕后,倒去两个小烧杯的溶液,洗净烧杯的溶液。
盐桥两端淋洗后,浸入硝酸钾溶液中保存。
五、实验数据记录与处理
实验9:
实验数据
室温:
31.4℃气压:
1009.0hPa测量恒温:
40.0℃
测定值/V
测定平均值/V
理论计算值/V
相对误差
一次
二次
三次
0.44861
0.53922
16.80%
0.44882
0.44860
0.44840
实验10:
实验数据
室温:
16.5℃气压:
1021.0hPa
次序
t/℃
T/K
E/V
E平均
△G
/(KJ/mol)
△S
/(J/K*mol)
△H
/(KJ/mol)
1
40.0
31.135
0.44882
0.44861
﹣6.915×10-4
-43.291
66.730
-22.395
0.44860
0.44840
2
44.0
317.15
0.44680
0.44675
-43.111
-21.948
0.44661
0.44683
3
48.0
321.15
0.44318
0.44300
-42.750
-21.319
0.44299
0.44284
4
52.0
325.15
0.44044
0.44033
-42.492
-20.794
0.44034
0.44020
5
56.0
329.15
0.43815
0.43799
-42.266
-20.302
0.43795
0.43788
E-T图
[2012-5-321:
23"/Graph1"(2456050)]
LinearRegressionforData1_B:
Y=A+B*X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A 0.66541 0.01219
B -6.915E-4 3.79572E-5
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
-0.99551 4.80125E-4 5 3.60816E-4
回归方程:
E=0.66541-6.915E-4*T
故=﹣6.915×10-4
n=1,F=96500C/mol,代入计算即可得。
以T=313.15K,E=0.44861V为例:
同理。
其他温度下的数据做法与此一样。
六、实验结果分析
(一)实验9数据分析
实验测试出来的结果,误差达到了16.80%,对此我有以下的看法:
1、实验读数时间比较快。
实验中在恒温槽升高到40℃以后,5分钟后就读数了,两个烧杯还没来得及到达40℃,因此所测得的电势差并非该温度下的实际电势差。
2、由实验现象我们也可以看出,每次读完一个数以后,会发现电位差计的读数逐渐变小。
最能解释这个现象的原因就是因为温度的影响。
因为温度越高,电势差越小。
所以也证明了实验中我们必须让烧杯恒温才能测定实际的电势差。
3、除了恒温的时间要保证以外,我们也要保证测定的时间。
最好每隔15分钟左右测定一次,而这次实验中是每隔2分钟读一次数据,这样的读数:
第一,不恒定;第二,造成较大误差。
4、我们只采用了40℃的温度进行分析,这样方法误差增大了,我们应该采用多组的数据分析。
(二)实验10数据分析
从上述结果可以观察得出:
1、在一定温度范围内,△G和△H的数值基本不变,符合我们的理论知识。
2、从拟合曲线图来看,相关系数为-0.99551,线性比较好。
3、实验中还需要查找相关文献得出△G和△H的数值,如果相差太大,有可能是因为实验存在系统误差,即使相关性不错,因为操作误差或方法误差导致了△G和△H的数值与理论值相差太大。
七、实验注意事项
1、连接线路时,切勿将标准电池、工作电源、待测电池的正负极接错;
2、应先将半电池管中的溶液先恒温后,再测定电动势;
3、调节电桥平衡的操作时间应尽可能的短,否则电极上较长时间的有电流通过,会发生电池反应使得溶液浓度下降、电极表面极化,这样可逆电极变成不可逆的,会给实验带来较大误差。
而实验中所用仪器不稳定,需要较长的时间才能大致调节到平衡,即使是同一个电动势值,在很短的时间内测得的数据都有较大波动,所以不能很快调节到平衡是实验的误差主要来源。
4、电流无限小的情况下测量,才能达到可逆电池的要求,但在实验过程中电流无法达到无限小仍存在一定值的电流,于是产生的极化作用破坏了电池的可逆性,使电动势偏离可逆值。
5、恒温槽温度存在波动,电镀不均匀,会造成不稳定,此外实验中采用盐桥来消除液接电位,但实际实验中不能保证盐桥能够完全消除液接电位。
【参考文献】
[1].何广平,南俊民,孙艳辉等编著.物理化学实验.化工工业出版社,2007.12
[2].傅献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华编.物理化学(第五版)下册.高等教育出版社,2006.1
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- 原电池 电动势 测定 应用
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