電動勢測定實驗-實驗報告-所用儀器南大萬和EM-3C數字式電子電位差計

產品型號：EM-3C

產品編號：EM-3C

實驗15   電動勢的測定

一、實驗目的

    1．掌握電位差計的測量原理和測定電池電動勢的方法。

    2．了解可逆電池、可逆電極、鹽橋等概念。

    3．測定嶺Ag⁺/Ag、Zn／Zn²⁺|電極電勢和Ag濃差電池電動勢。

二、實驗原理

1．對消法測電動勢的原理   

電池電動勢不能直接用伏特計來測量，因為電池與伏特計聯接后有電流通過，就會在電極上發生電極極化，結果使電極偏離平衡狀態。另外，電池本身有內阻，所以伏特計所量得的僅是不可逆電池的端電壓。測量電池電動勢只能在無電流通過電池的情況下進行，因此需用對消法(又叫補償法)來測定電動勢。對消法的原理是在待測電池上并聯一個大小相等、方向相反的外加電勢差，這樣待測電池中沒有電流通過，外加電勢差的大小即等于待測電池的電動勢。對消法測電動勢常用的儀器為電位差計，其簡單原理如圖15—1所示。電位差計由三個回路組成：工作電流回路、標準回路和測量回路。

    (1)工作電流回路

   圖為均勻沿線電阻，通過可變電阻及與上作電源萬構成回路，其作用是調節可變電阻R，使流過回路的電流成為某一定值。這樣AB上有一定的電位降低產生，工作電源E可用蓄電池或穩壓電源，其輸出電壓必須大于待測電池的電動勢。

   （2）標準回路

S為電動勢精確已知的標準電池，C是可在AB上移動的接觸點，K是雙向開關，KC間有一靈敏度很高的檢流計G，當K扳向S一方時，AC1GS回路的作用時校準工作回路的以確定AB上的電位降。如標準電池S的電動勢為1.01865伏，則先將C點移動到AB上標記1.01865伏的C1處，迅速調節R直至G中無電流通過。這時S的電動勢與AC1之間的電位降與AC1間的電位降大小相等、方向相反而對消。

    （3）測量回路

當雙向開關K換向X的一方時，用AC2GX回路根據校正好的AB上的電位降來測量未知電池的電動勢。在保證校準工作電流不變的情況下，在AB上迅速移動到C2點，使G中無電流通過，這時X的電動勢與AC1間的電位的電位降大小相等，方向相反而對消，于是C2點所標記的電位降為X的電動勢。由于使用過程中電流的電壓會有所變化，要求每次測量前均重新校準工作回路的電流。

2．電極電勢的測定原理

電池使由2個半電池組成的。電池電動勢是兩電極的代數和。當電勢都以還原電勢表示時，

以丹尼爾電池為例：Zn|Zn²⁺(a₁)||Cu²⁺(a₂)|Cu

負極反應：Zn→Zn²⁺+2e^-

正極反應：Cu²⁺+2e^-→Cu

電池反應：Zn+Cu²⁺→Cu+Zn²⁺

在電化學中，電極電勢的值至今還無法測定，而是以某一電極的電極電勢作為零，然后將其它的電極與它組成電池，規定該電池的電動勢為該被測電極的電極電勢。通常將標準氫電極(即氫氣為101325Pa下的理想氣體、溶液中“(H’)為1)的電極電勢規定為零。由于氫電極制備及使用不方便等缺點，一般常用另外一些制備工藝簡單、易于復制、電勢穩定的電極作為參比電極來代替氫電極。常用的有甘汞電極和氯化銀電極等，這些電極與標準氫電極比較而得到的電勢已精確測定。本實驗要求制備鋅電極、銀電極，然后用飽和甘汞電極作參比電核，測量達兩個電極的電極電勢、測量銀濃差電池的電動勢。

三、儀器與藥品   詳見   /product_view.asp?id=74

儀器生產廠家：南大萬和

配置：EM-2B,EM-3C,EM-3D 數字式電子電位差計，韋斯頓標準電池（或SU-1A精密穩壓電源）銀電極，鉑電極，飽和甘汞電極，鹽橋玻璃管，H型電池。

技術參數：
1、測量范圍: EM-2B ，EM-3C   0～1.99999V     EM-3D   0～±1.999999
2、精   度: 0.005%F·S
3、分 辨 率: EM-2B ，EM-3C   0.01mV    EM-3D   0.001mV

精密電位差計(包括直流穩壓電源、分流器、補償電位計；標準電池、撿流計各1臺)；半電油管3個；飽和甘汞電極1只、鋅電極1只；銀電極2只；15創小燒杯5個。

    0.1000mol/kg^-1znS04、0.1000mol/kg^-1AgCl，0.1000mol/kg^-1KCl、飽和KCl鹽橋、飽和KNO3鹽橋、飽和硝酸亞汞溶液。

四、實驗步驟

1．電極制備

(1)鋅電極

用拋光砂紙將鋅電極表面打磨光滑，然后用自來水沖洗，用濾紙擦干，再浸入飽和硝酸亞汞溶液中3—5秒，取出后用濾紙擦拭鋅電極，使鋅電極表面有一層均勻的汞齊，再用蒸餾水洗凈(注意：汞鹽有毒，用過的濾紙應投入的容器中，容器中應有水淹沒濾紙，切勿隨便亂丟)。

(2)銀電極

    把兩根銀電極用拋光砂紙輕輕擦亮，再用蒸餾水洗凈擦干。把處理好的兩根噸電極浸入AgN島溶液中，測量其間的電動勢值。兩根電極間的電位差小于0.005伏方可在濃差電池中使用，否則，需重新處理電極或重新挑選電極。

2．半電池的制作

    (1)Zn|ZnSO₄(0.1000mol/kg^-1)半電池的制作

    如圖15-2安裝半電池。用洗耳球從支管D處將0.1000mol/kg^-1ZnSO₄溶液慢慢吸入半電池管少許，洗滌兩次后，吸入適量溶液，立即把D處夾緊。然后取出半電池，檢查管內有無氣泡以及溶液是否從管內流出。

    (2)Ag|AgNO₃：(0.1000mol/kg^-1)半電池的制作:

    制作方法同(1)。

    (3)Ag|Ag⁺(b)KCl(0.1000mol/kg^-1)半電池的制作:

在干凈的小燒杯中加入0.1000mol/kg^-1 KCl溶液，再加入—滴0.1000mol/kg^-1AgNO₃溶液，攪拌均勻，呈白色混濁溶液。特此溶液吸入插有銀電極的半電池管內，將D處夾緊，檢查有無漏氣。

    3．電動勢的測定

    (1)參看本書第二部分儀器8，弄懂電位差計的使用方法，并接好測量線路。

    (2)按室溫下的標準電池的電動勢值(見本書第二部分儀器7)，對電位差計的工作電流進行標定。

(3)選擇合適的鹽橋，然后分別測量下列各電池的電動勢值：

①Zn|ZnSO₄(0.1000mol/kg^-1)|飽和甘汞電極

⑧飽和甘汞電極|AgNO3(0.1000mol/kg^-1)|Ag

⑧銀濃差電池電動勢

Ag|Ag⁺(b)KCl(0.1000mol/kg^-1)|AgNO₃(0.1000mol/kg^-1)|Ag

五、關鍵操作及注意事項

    1．半電池管和小燒杯必須清洗干凈，實驗前先檢查半電池管是否漏氣。

    2．制作半電池以及將半電池插入鹽橋時，注意不要進入氣泡。

    3，AgNO₃：廢液必須倒入回收瓶中。

六、數據處理

   1．計算室沮下飽和甘汞電極的電極電勢，校正公式見本書第二部分儀器7。

   2．根據所測電池電動勢的實驗值E實分別計算Zn⁺／Zn和Ag⁺／Ag的電極電勢(實驗值)。

   3．從附表中查出25℃下鋅電極和銀電極的標準電極電勢及其濕度系數以及活度系數，由此計算室溫下鋅、銀的電極電勢，并與2的實驗值進行比較，求出相對誤差。

   4．根據所測得的銀濃差電池電動勢置，通過下述(4)、(5)式計算AgCl的溶度積。

對于稀薄水溶液，b與C在數值上相等，所以溶度積可表示為

七、思考與討論

    1．對消法測定電池電動勢的原理是什么?

    2．鹽橋的選擇原則和作用是什么?

    3．在測量過程中，若檢流計光點總是往一個方向偏轉，可能是什么原因？

    4．標準電池的構造以及使用時應注意什么?

   參考文獻：南京大學出版社   物理化學實驗   復旦大學物化實驗教材   山東大學物化實驗教材   南京南大萬和科技有限公司網站