实验七 电极的制备及电动势的测定.docx
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实验七电极的制备及电动势的测定
实验七电极的制备及电动势的测定
一、【试验目的】
1.掌握可逆电池电动势的测量原理和电位差计的操作技术。
2.学会几种电极和盐桥的制备方法。
3.通过原电池电动势的测定求算有关热力学函数。
二、【预习要求】
1.了解如何正确使用电位差计、标准电池和检流计。
2.了解可逆电池、可逆电极、盐桥等概念及其制备。
3.了解通过原电池电动势测定求算有关热力学函数的原理。
三、【仪器和试剂】
UJ-25型电位计1台;灵敏检流计(1×10-8~10-9A/cm)1台;标准电池(l个);1.5V干电池2个;电炉(l000W)1台(公用);50mL,l00mL烧杯各1个;托盘天平1台;银电极2支;甘汞电极1支;铂电极1支;AgNO30.02mol·L-1;HCl0.1mol·L-1;NaAc(固体);KCl0.02mol·L-l;KCl饱和溶液;琼脂(固体)。
四、【实验原理】
凡是能使化学能转变为电能的装置都称之为电池(或原电池)。
对定温定压下的可逆电池而言:
(ΔrGm)T,P=-Nfe
(1)
(2)
(3)
式中,F为法拉弟(Farady)常数;n为电极反应式中电子的计量系数;E为电池的电动势。
可逆电池应满足如下条件:
(1)电池反应可逆,亦即电池电极反应可逆。
(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,在精确度不高的测量中,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。
用电位差计测量电动势也可满足通过电池电流为无限小的条件。
可逆电池的电动势可看作正、负两个电极的电势之差。
设正极电势为φ+,负极电势为φ—,则:
E=φ+-φ—
电极电势的绝对值无法测定,手册上所列的电极电势均为相对电极电势,即以标准氢电极作为标准(标准氢电极是氢气压力为101325Pa,溶液中
为1),其电极电势规定为零。
将标准氢电极与待测电极组成一电池,所测电池电动势就是待测电极的电极电势。
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、银-氯化银电极等。
这些电极与标准氢电极比较而得的电势已精确测出,可参见附录二。
1.求难溶盐AgCl的溶度积KSP
设计电池如下:
Ag(S)-AgCl(S)|HCl(0.1000mol·kg-1)‖AgNO3(0.1000mol·kg-1)|Ag(S)
银电极反应:
Ag++e→Ag
银-氯化银电极反应:
Ag+Cl-→AgCl+e
总的电池反应为:
Ag++Cl-→AgCl
(4)
又
(5)
式(5)中n=1,在纯水中AgCl溶解度极小,所以活度积就等于溶度积。
所以:
(6)
(6)代入(4)化简之有:
(7)
已知,测得电池动势E,即可求KSP。
2.求电池反应的ΔrGm、ΔrSm、ΔrHm、ΔrGm
分别测定“1”中电池在各个温度下的电动势,作E—T图,从曲线斜率可求得任一温度下的
,利用公式
(1),
(2),(3),(5),即可求得该电池反应的ΔrGm、ΔrSm、ΔrHmΔrGm
3.求铜电极(或银电极)的标准电极电势
对铜电极可设计电池如下:
Hg(l)-Hg2Cl2(S)|KCl(饱和)‖CuSO4(0.1000mol·kg-1)|Cu(S)
铜电极的反应为:
Cu2++2e→Cu
甘汞电极的反应为:
2Hg+2Cl-→Hg2Cl2+2e
电池电动势:
(饱和甘汞)
所以
(饱和甘汞)(8)
已知
(饱和甘汞),测得电动势E,即可求得
。
对银电极可设计电池如下:
Hg(l)-Hg2Cl2(S)|KCl(饱和)‖AgNO3(0.1000mol·kg-1)|Ag(S)
银电极的反应为:
Ag++e→Ag
甘汞电极的反应为:
2Hg+2Cl-→Hg2Cl2+2e
电池电动势:
(饱和甘汞)
所以
(饱和甘汞)(9)
4.测定浓差电池的电动势
设计电池如下:
(m1)(m2)
Cu(S)|CuSO4(0.0100mol·kg-1)‖CuSO4(0.1000mol·kg-1)|Cu(S)
电池的电动势
(10)
5.测定溶液的pH值
利用各种氢离子指示电极与参比电极组成电池,即可从电池电动势算出溶液的pH值,常用指示电极有:
氢电极、醌氢醌电极和玻璃电极。
今讨论醌氢醌(Q·QH2)电极。
Q·QH2为醌(Q)与氢醌(QH2)等摩尔混合物,在水溶液中部分分解。
它在水中溶解度很小。
将待测pH溶液用Q.QH2饱和后,再插入一只光亮Pt电极就构成了Q·QH2电极,可用它构成如下电池:
Hg(l)-Hg2Cl2(S)|饱和KCl溶液‖由Q.QH2饱和的待测pH溶液(H+)|Pt(S)
Q.QH2电极反应为:
Q+2H++2e→QH2
因为在稀溶液中aH+=CH+,所以:
φQ·QH2=φQ·QH2-2
可见,Q·QH2电极的作用相当于一个氢电极,电池的电动势为:
(饱和甘汞)
(11)
已知φ°Q·QH2及φ(饱和甘汞),测得电动势E,即可求pH。
由于Q·QH2易在碱性液中氧化,待测液之pH值不超过8.5。
6.补偿法测电动势的原理及电位差计
(1)补偿法测电动势的原理
原电池电动势是在通过电池的电流趋于零时两极间的电位差。
倘若不是在电流接近于零下测定电池两极间的电位差(如用伏特表直接测量),则由于极化作用,使所测得的电池端电压值低于其电动势。
什么方法能使电动势测定是在电流趋于零的条件下进行的呢?
这就是补偿法,其原理如图3-l所示。
工作电池Ew经AB构成一个回路,并在均匀电阻AB上产生均匀的电压降,而待测电池讠的正极经过检流计G与工作电池Ew的正极相连,负极则连接到与均匀电阻AB相接触的滑动接触点C上。
亦即在待测电池的外电路上加上了一个方向相反的电位差,C点的位置不同,则此电阻值不同。
当滑动C点使检流计G中没有电流流过时,则说明AC线段的电位差恰好等于并抵消待测电池瓦之电动势。
即
Ex=VAC=IRAC(3-13)
根据式(3-13)若知均匀电阻AB的单位长度的电阻值,以及使流过电阻AB的电流强度I保持某一已知定值,则测定不同原电池Ex时,可根据AC的长度就可直接测得Ex值。
电位差计就是能满足这样要求的仪器。
(2)电位差计原理及标准化
电位差计是根据补偿法原理而设计的一种平衡式电压测量仪器。
因为它能直接给出待测电池的电动势值(以伏特表示),故电位差计设计时,就规定了流过测量回路中的工作电流Iw为某一定值Io。
实验时必须将流过电位差计的工作电流调整至Io,此调整的操作称“标准化”。
电位差计电路原理如图3-2所示。
从图可知,它分为工作回路与ABCD测量回路(包括标准化回路与测量待测电池回路)。
Iw流经RN,Rx及R而返回EW,为了保证工作回路流过电流Iw,设计时规定的Io需用标准电池EN通过补偿法来调整。
将电键K置于“标准”的位置,根据标准电池温度调整电阻RN,使其与标准电池标准电动势值相符,而后调整调节电阻R,当检流计上无电流通过,这时工作回路上的Iw=Io,有下式成立
EN=Io×RN(3—14)
此过程称为标准化。
然后将电键K转到“待测”的位置,接通“待测”回路,调整电阻Rx使检流计无电流通过。
这时电阻Rac上电压降正好与待测电池电动势相等而被对消掉。
因工作电流在标准化过程中已被标定,而电阻Rx是均匀电阻线,所以从电阻Rx刻度盘上直接读得的就是待测电池电动轮的数值。
其值为
EX=IoRac(3—15)
由电位差计测电动势原理可以看出,在测量过程中并不是直接精确测量工作电流I,而是通过标准化操作,使工作电流保持为Io,故只需测Rac就可以了。
测量电动势的精度只依赖于标准电池EN和电阻RN和Rx的精度,这些在仪器制造中是容易达到较高的精度的,加上使用高灵敏度检流计,可使电动势测量极为准确。
五、【实验步骤】
1.盐桥制备
将50mL蒸馏水倒人l00mL烧杯中,加入0.5g琼脂及0.5gNaAc加热搅拌,琼脂完全溶解后,稍冷却倒入U型管中,待完全冷却后使用。
2.实验前准备
(1)接线:
首先将电位差计的“标准”、“未知”、“断”转换开关放在“断”的位置,然后将标准电池、工作电池、电源线按下图接在相应的端钮上(接检流计没有极性要求)。
(2)调节工作电流:
在调节工作电流前,首先应考虑标准电池电动势受温度的影响,在某一温度下,标准电池电动势可按下式计算,计算结果化整的位数到0.00001V。
Et=E20-[39.9(t-20)十0.94(t-20)2-0.009(t-20)3]×10-6(V)
(3—16)
式中Et为t℃时标准电池的电动势;E20为+20℃时的标准电池电动势;t为测量时室内环境的温度。
按上式计算的数值,在标准电池温度补偿十进盘上加以调整,调整后不再变动。
将“标准”、“未知”转换开关放在“标准”的位置上,按下“粗”按钮,调节工作电流,使检流计指零,然后再按下“细”按钮重复以上工作使检流计再指零,此时的工作电流即可认为:
0.0001A,松开全部按钮(当调节过程中,发现检流计受到冲击时,应迅速按下“短路”按钮)。
3.电极的制备
(1)铜电极的制备
将铜电极在1∶3的稀硝酸中浸泡片刻,取出洗净,作为负极,以另一铜板作正极在镀铜液中电镀(镀铜液组成为:
每升中含125gCuSO4·5H2O,25gH2SO4,50mL乙醇)。
线路见图Ⅲ-15-1。
控制电流为20mA,电镀20min得表面呈红色的Cu电极,洗净后放入0.1000mol·kg-1CuSO4中备用。
(2)锌电极的制备
将锌电极在稀硫酸溶液中浸泡片刻,取出洗净,浸入汞或饱和硝酸亚汞溶液中约10s,表面上即生成一层光亮的汞齐,用水冲洗晾干后,插入0.1000mol·kg-1ZnSO4中待用。
2.电动势的测定
分别测定下列六个原电池的电动势。
①Zn(S)|ZnSO4(0.1000mol·kg-1)‖饱和KCl溶液|Hg2Cl2(S),Hg(l)
②Hg(l)-Hg2Cl2(S)|饱和KCl溶液‖CuSO4(0.1000mol·kg-1)|Cu(S)
③Zn(S)|ZnSO4(0.1000mol·kg-1)‖CuSO4(0.1000mol·kg-1)|Cu(S)
④Zn(S)|ZnSO4(0.0100mol·kg-1)‖饱和KCl溶液|Hg2Cl2(S),Hg(l)
⑤Hg(l)-Hg2Cl2(S)|饱和KCl溶液‖CuSO4(0.0100mol·kg-1)|Cu(S)
⑥Zn(S)|ZnSO4(0.1000mol·kg-1)‖CuSO4(0.0100mol·kg-1)|Cu(S)
六、【数据处理】
将实验值与理论值进行对比,并计算相对误差。
电池号
测定值E/V
平均值
E/V
计算
E/V
误差
一次
二次
三次
1
2
3
4
5
6
七、【思考讨论题】
1.为何测电动势要用补偿法,补偿法的原理是什么?
2.测电动势为何要用盐桥,如何选用盐桥以适合不同的体系?
3.在测电动势之前为什么要进行标准化,如何进行标准化?
4.实验中如何保护标准电池和检流计?
5.实验中若检流计光点总往一个方向偏转,是何原因?
《车辆制冷与空调》第二次作业参考答案
《车辆隔热壁》、《制冷方法与制冷剂》、《蒸汽压缩式制冷》
一.简答题
1.什么是隔热壁的传热系数?
它的意义是什么?
答:
隔热壁的传热系数指车内外空气温度相差1℃时,在一小时内,通过一平方米热壁表面积所传递的热量。
可以概括为单位时间、单位面积、单位温差传递的热量。
它可以表示出车体隔热壁允许热量通过的能力,愈大,在同样的传热面积与车内外温差的情况下,通过的热量就愈大,隔热性能就愈差。
2.热量是如何从隔热壁一侧的空气中传至另一侧空气的?
答:
热量从隔热壁一侧的空气中传至另一侧的空气中,其传热过程可以分为:
1)表面吸热——热量从一侧的空气中传至隔热壁的一侧表面;
2)结构透热——热量从隔热壁的一侧表面传至另一侧表面;
3)表面放热——热量从隔热壁另一侧表面传至另一侧的空气中。
3.如何改善隔热壁的性能?
答:
(1)尽可能减少热桥;
(2)不同材料必须完全密贴;(3)减少漏泄;(4)选用隔热性能较好的材料。
4.蒸汽压缩制冷循环系统主要由哪些部件组成,各有何作用?
答:
在蒸汽压缩制冷循环系统中,蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀是制冷系统中必不可少的四大件。
蒸发器是输送冷量的设备。
制冷剂在其中吸收被冷却物体的热量实现制冷。
压缩机是心脏,起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。
冷凝器是放出热量的设备,将蒸发器中吸收的热量连同压缩机功所转化的热量一起传递给冷却介质带走。
节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量,并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。
实际制冷系统中,除上述四大件之外,常常有一些辅助设备,如电磁阀、分配器、干燥器、集热器、易熔塞、压力控制器等部件组成,它们是为了提高运行的经济性,可靠性和安全性而设置的。
5.蒸发器内制冷剂的汽化过程是蒸发吗?
蒸发与沸腾有什么区别?
答:
是。
蒸发是汽化的一种形式,只在液体表面发生,而沸腾是汽化的又一种形式是在液体内部和表面同时发生的。
液体蒸发在任何温度下都能进行,且只在液体表面进行。
液体沸腾是在一定温度下发生的剧烈的汽化现象。
液体沸腾时要吸热,但液体温度保持不变。
6.制冷剂在蒸汽压缩制冷循环中,热力状态是如何变化的?
答:
制冷剂蒸汽由蒸发器的末端进入压缩机吸气口时,压力越高温度越高,压力越低温度越低。
制冷剂蒸汽在压缩机中被压缩成过热蒸汽,压力由蒸发压力P0升高到冷凝压力Pk。
为绝热压缩过程。
外界的能量对制冷剂做功,使得制冷剂蒸汽的温度再进一步升高,压缩机排出的蒸汽温度高于冷凝温度。
过热蒸汽进入冷凝器后,在压力不变的条件下,先是散发出一部分热量,使制冷剂过热蒸汽冷却成饱和蒸汽。
饱和蒸汽在等温条件下,继续放出热量而冷凝产生了饱和液体。
饱和液体制冷剂经过节流元件,由冷凝压力Pk降至蒸发压力P0,温度由tk降至t0。
为绝热膨胀过程。
以液体为主的制冷剂,流入蒸发器不断汽化,全部汽化变时,又重新流回到压缩机的吸气口,再次被压缩机吸入、压缩、排出,进入下一次循环。
7.制冷剂在通过节流元件时压力降低,温度也大幅下降,可以认为节流过程近似为绝热过程(即与外界没有热量交换),那么制冷剂降温时的热量传给了谁?
用于干什么?
答:
这个过程中热量传给了自身,使部分制冷剂液体汽化成蒸汽。
8.单级蒸汽压缩式制冷理论循环有哪些假设条件?
答:
理论循环假定:
①假设进入压缩机的为饱和蒸汽,进入节流阀的为饱和液体;
②假设压缩过程是等熵过程,节流过程是等焓过程;
③假设蒸发与冷凝过程无传热温差;
④假设除两大换热器外,系统与外界无热交换;
⑤假设制冷剂无流阻损失。
9.什么叫液体过冷?
液体过冷对循环各性能参数有何影响?
、
答:
过冷液体:
当冷凝剂在冷凝器中被冷凝成液体后,如果液体继续向外放热,制冷剂的温度就会低于饱和温度(对应于冷凝压力的冷凝温度),低于饱和温度的制冷剂液体称为过冷液体。
液体过冷对循环各性能参数的影响:
①使单位制冷量增大;
②使单位容积制冷量增大;
③单位功保持不变;
④使制冷系数增大。
总之,制冷剂液体的过冷有利于制冷循环,可提高制冷循环经济性。
10.试写出制冷剂R11、R115、R32和R12、Rl2B1的化学式。
答:
R11:
CFCL3R115:
C2F5CL(注意区分:
R1150:
C2H4)
R32:
CH2F2R12:
CF2Cl2
Rl2B1:
CF2CLBr
11.试写出CF3Cl、CH4、CHF3、C2H3F2Cl、H2O、CO2的编号。
答:
CF3CL:
R13
CH4:
R50
CHF3:
R23
C2H3F2Cl:
R142B
H2O:
R718
CO2:
R744
12.写出与下列制冷剂的符号规定式相对应的化学分子式(要求写出过程)
(1)R22
(2)R134
答:
(1)R22符号规定式通式为R(m-1)(n+1)x
m-1=2n+1=2x=2
所以m=1n=1x=2
符号规定式通式为:
CmHnFxCIy
y=2m+2-n-x=2+2-1-2=1
所以R22的符号规定式为CHCIF2
(2)R134符号规定式通式为R(m-1)(n+1)x
m-1=1n+1=3x=4
所以m=2n=2x=4
符号规定式通式为:
CmHnFxCIy
y=2m+2-n-x=4+2-2-4=0
所以R134的符号规定式为C2H2F4
13.单级蒸汽压缩式制冷实际循环与理论循环有何区别?
答:
单级蒸汽压缩式制冷实际循环与理论循环的区别:
在实际循环中存在:
(1)制冷剂在流动过程中会产生阻力压降;
(2)蒸发器出口蒸汽过热
(3)冷凝器出口液体过冷;
(4)压缩机压缩空气的过程不等熵。
与理论循环相比,实际循环单位实际压缩功增大,而压缩机实际输气量减小。
14.什么叫有效过热?
什么叫有害过热?
有效过热对哪些制冷剂有利,对哪些制冷剂不利?
答:
有效过热:
即吸入蒸汽的过热量全部来自冷藏货物间内的吸热。
如果吸入蒸汽的过热发生在蒸发器本身的后部,或者发生在安装于被冷却室内的吸气管道上,或者发生在二者皆有的情况下,那么因过热而吸收的热量来自被冷却空间,如吸入蒸汽的过热热全部来自冷藏货物间或客车室内的西热,因而产生了有用的制冷效果。
这种过热称之为“有效”过热。
有效过热对R502R600aR290R134a等制冷剂有利,而对R22和Nh3等制冷剂不利。
有害过热:
吸入蒸汽的过热全部来自冷藏货物间外。
由蒸发器出来的低温制冷剂蒸汽,在通过吸入管道进入压缩机前,从周围环境中(如冷藏货物间之外)吸取热量而过热,制冷剂所增加的吸热量Δq0r并没有对冷却对象产生任何制冷效应,即没有提高制冷装置的有效制冷量,习惯上称这种过热为“无效”过热。
在这种吸气过热时,过热度越大,制冷系数和单位容积制冷量降低越多,冷凝器的热负荷也增加越多,故称之为有害过热。
蒸发温度越低,有害过热越大。
15.什么是回热循环?
它对制冷循环有何影响?
答:
回热循环就是让蒸发器出来的制冷剂蒸汽和高温制冷剂液体在热交换器中进行热交换,使液体过冷,气体过热的循环。
回热循环对制冷循环的影响:
(1)可以保证制冷装置的压缩机运转安全;
(2)可以减小节流热损失。
16.蒸汽有害过热对循环各性能参数有何影响?
减小蒸汽有害过热的措施是什么?
答:
蒸汽过热对循环各性能参数的影响:
单位质量制冷量q0不变;
单位理论功增大;
制冷系数减小;
单位容积制冷量减小;
冷凝器的热负荷增加。
减小蒸汽有害过热的措施:
吸气管路用隔热材料包扎起来。
17.什么叫过冷度?
什么叫过热度?
答:
过冷度:
饱和温度与过冷液体的温度之差称为过冷度。
过热度:
过热蒸汽的温度与饱和蒸汽的温度之差称为过热度。
18.蒸汽压缩制冷用制冷剂是如何分类的?
答:
按化学结构分有:
无机化合物(如R717等);碳氢化合物(R600a、R290等)。
②氟里昂(R22、R134a等);③多元混合溶液(非共沸溶液有R407C等,共沸溶液有R502等);按蒸发温度和冷凝压力分有:
①高温低压制冷剂;②中温中压制冷剂;③低温高压制冷剂。
按可然性和毒性分,分不可然、可然、易燃、低毒、高毒等组合类别。
19.何为CFC类物质?
为何要限制和禁用CFC类物质?
答:
CFC类物质就是不含氢的氟里昂。
CFC物质对大气忠的臭氧和地球高空的臭氧层有严重的破坏作用,会导致地球表面的紫外线辐射强度增加,破坏人体免疫系统。
还会导致大气温度升高,加剧温室效应。
因此,减少和禁用CFC类物质的使用和生产,已经成为国际社会环保的紧迫任务。
20.冷凝温度变化和蒸发温度变化分别对蒸汽压缩式制冷系统有何影响?
答:
当蒸温度一定时,随着冷凝温度的升高,则节流损失增大,制冷量减少,而轴功率增大,制冷系数降低;冷凝温度下降,则节流损失减小,制冷量增加,功耗减少,制冷系数提高。
当冷凝温度一定时,随着蒸发温度的下降,压缩机制冷量减少,而轴功率与制冷系数视情况而变。
也减少。
冷凝温度不变时,制冷机在不同蒸发温度下轴功率是变化的,而且与未变化前的蒸发温度有关。
当te由室温逐渐下降时,制冷机的轴功率逐渐增大,te下降到一定值时,轴功率会达到最大值。
如果蒸发温度te继续下降,轴功率逐渐减小。
二.画图及说明
1.画出制冷系统的基本原理图及单级蒸汽压缩式制冷循环的理论循环压焓图和T-S,并说明其循环过程。
答:
制冷系统的基本原理图间图1。
压缩机的可逆绝热过程是等熵过程,节流过程常可看作为等焓过程,则循环可用如下P-H和T-S图表示。
图2为单级蒸汽压缩式制冷循环的理论循环压焓图和T-S。
图1
图2
2.画出蒸汽压缩制冷回热循环的P-H图和T-S图。
解:
单级蒸汽压缩制冷回热循环的P-H图和T-S图如下图所示:
三.计算题
1.假定循环为单级压缩蒸汽制冷的理论循环,蒸发温度t0=-15℃,冷凝温度为30℃,工质为R12,试对该循环进行热力计算。
(根据R12的热力性质图表,查出有关状态参数值:
h1=345.8kJ/kgv1=0.09145m3/kgh3=h4=228.6kJ/kgh2=375.1kJ/kgt2=57℃)
解:
该循环的压焓图如下所示:
1单位质量制冷量 q0=h1-h5=345.8-228.6=117.2kJ/kg
2单位容积制冷量 qV=q0/v1=117.2/0.09145=1281.6kJ/M3
4单位理论功 w0=h2-h1=375.1-345.8=29.3kJ/kg
5制冷系数 ε=q0/w0=117.2/29.3=4.0
6冷凝器单位热负荷 qk=h2-h3=375.1-228.6=146.5kJ/kg
2.有一氨压缩制冷机组,制冷能力Q0为4.0×104KJ·h-1,在下列条件工作:
蒸发温度为-25℃,进入压缩机的是干饱和蒸汽,冷凝温度为20℃,冷凝过冷5℃。
试计算:
(1)单位重量制冷剂的制冷能力;
(2)每小时制冷剂循环量;
(3)冷凝器中制冷剂放出热量;
(4)压缩机的理论功率;
(5)理论制冷系数。
解:
查表得到制冷剂氨在-25℃时的P0=1.51585×105pa,20℃时的压力为Pc=0.85737Mpa,15℃时的压力为0.728785Mpa。
首先在P—H图(或T—S图)上按照已知条件
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- 实验七 电极的制备及电动势的测定 实验 电极 制备 电动势 测定
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