1、課時教學實施方案課程：物理化學實驗授課班級：12級化工1-3班 授課學期：2014-2015學年1學期課題電極制備和原電池電動勢測定計劃學時5教 學 目 的1理解對消法測定電動勢的原理；2、掌握SDC-H數字電位差綜合測試儀及 UJ-25型電位差計、檢流計、標 準電池的使用方法；3、測定丹尼爾電池電動勢，銅、鋅電極的電極電勢。重點測定丹尼爾電池電動勢，銅、鋅電極的電極的準備難點能斯特方程求電動勢、電極電勢教具 準備SDC-H數字電位差綜合測試儀5套、銅、鋅電極和飽和甘汞電極各5個、 鹽橋5個、UJ-25型電位差計、工作電源、檢流計、標準電池兩套、導線 飽和的KCI溶液、6 M的HNO3溶液、3

2、 M稀硫酸、0.1 M的CuSO4溶液、 0.1 M的ZnSO4溶液、鍍銅液、5個蒸餾水瓶、10個100mL小燒杯（每 桌兩個）、砂紙、濾紙、盛有廢紙的燒杯、4個廣口瓶回收廢溶液電鍍裝置一套：工作電源、滑動變阻器、開關、銅片、導線、安培表、方 形槽教學 后 記（包括教學要點、步驟、方法、時間安排及板書設計、作業布置等）一、講解實驗原理-內消法測定原理20分鐘二、講解SDC- U數字電位差綜合測試儀和 UJ-25型電位差計的使用方法40分鐘三、銅、鋅、飽和甘汞電極的準備30分鐘四、電鍍裝置的使用20分鐘五、指導學生實驗以及實驗過程中的注意事項30分鐘六、指導學生進行實驗。150分鐘教學作業布置：

3、撰寫實驗報告進程設計備注:案實驗一：原電池電動勢的測定及應用一、實驗目的1通過電動勢的測定，了解對消法測電動勢的基本原理、儀器構造和 使用方法。2、掌握SDC-H數字電位差綜合測試儀及 UJ-25型電位差計、檢流計、 標準電池的使用方法；3、測定丹尼爾電池電動勢，銅、鋅電極的電極電勢二、實驗原理原電池由正、負兩極和電解質組成。電池在放電過程中，正極上發生還 原反應，負極上則發生氧化反應，電池反應是電池中所有反應的總和。電池除了可用作電源外，還可以用來研究構成此電池的化學反應的熱力 學性質，從化學熱力學得知，在恒溫、恒壓、可逆條件下，電池反應有以下 關系：= -nFE（式 1-1）式中八rGm是

4、電池反應的吉布斯自由能增量；n為電極反應中電子得失數； F為法拉第常數；E為電池的電動勢。從式中可知，測得電池的電動勢E后, 便可求得：Gm，進而又可求得其他熱力學參數。但需注意，首先要求被測電池反應本身是可逆的，即要求電池的電極反應是可逆的， 并且不存在不可 逆的液接界。同時要求電池必須在可逆情況下工作， 即放電和充電過程都必 須在準平衡狀態下進行，此時只允許有無限小的電流通過電池。因此，在用 電化學方法研究化學反應的熱力學性質時， 所涉及的電池應盡量避免出現液 接界，在精確度要求不高的測量中，常用 鹽橋”來減小液接界電勢。為了使電池反應在接近熱力學可逆條件下進行，一般采用電位差計測量 電池

5、的電動勢。1、對消法（補償法）測電池電動勢可逆電池必須滿足的條件之一是通過的電流為無限小。 當有限電流通過教時，在電池內阻上要產生 電位降，從而使得兩極間的電位差較電池電動勢為 小。因此，只有在沒有電流通過電池時兩電極間的電位差才與電池電動勢相等。之所以不能直接用伏特計來測量一個可逆電池的電動勢， 就是因為使用伏特計時必須使有限的電流通過回路才能驅動指針旋轉， 所得結果必然不是可逆電池的電動勢，而只是不可逆電池兩極間的電位差。圖i-i對消法測量原理示意圖一般采用對消法測可逆電池的電動勢，常用的儀器為電位差計。電位差 計是按照對消法測量原理而設計的一種 平衡式電壓測量儀器。它與標準電池、 檢流計

6、等相配合，成為電壓測量的基本儀器。圖1-1是對消法測量原理示意圖，其中Ew是工作電池，Rp是可變電阻，AC 是均勻的滑線電阻，Es是標準電池，Ex是待測電池，G是檢流計，K是換向 開關。 工作電流回路，也叫電源回路。從工作電池正極開始，經滑線電阻AC, 再經工作電流調節電阻Rp，回到工作電池負極。它的作用是借助于調節Rp使 在AB上產生一定的電位降。 標準回路，也叫校準回路，是校準工作電流回路。從標準電池的正極開 始（當換向開關K扳向Es一方時），經滑線電阻上AB段，再經檢流計G，回到 標準電池負極。它的作用是用標準工作電流回路以標定 AB上的電位降。借助 于調節Rp，使G中無電流通過，此時A

7、B段上的電位降與標準電池電動勢相 對消，大小相等而方向相反。 測量回路。從待測電池的正極開始（當換向開關K扳向Ex一方時），經 滑線電阻上AB段，再經檢流計G,回到待測電他負極。它的作用是用標定好 了的滑線電阻AC上的電位降來測量未知電池的電動勢。 在保持校準后的工作:案電流I不變(即固定Rp)的條件下，在AC上尋找出B點，使得G中電流為零, 即Ig= 0,此時在滑線電阻AB 段上的電位降與待測電池的電動勢 Ex相對消, 大小相等而方向相反。2、原電池電動勢主要是兩個電極的電極電勢的代數和， 如能分別測定出兩個電極的電勢，就可以計算得到由他們組成的電池電動勢 下面以鋅-銅電池為例進行分析。&#

8、39;Zn2 /Zn 二Zn2 /ZnaznRTln2Fazn2 'Cu2 /Cu = ' Cu2 7CRTaculn2F aC 2+Cu(式 1-2)(式 1-3)E 二 cu2 /Cu 一 ：Zn2 /Zn二 Cu2 /CuRT2 FlnaCu:-'Z n2 /Zna Cu 2 'RT ln azn2Fa Z n2-RT ln aZn22F aCu2 -銅鋅電池表達式：Zn(s) | ZnSO4(ai) II CuSO4) | Cu(s)負極反應：Zn (s) Zn(a+ 2e正極反應：Cu (a2) + 2e Cu(s)電池反應：Zn +Cu) Zn(a)

9、 +Cu根據能斯特公式，鋅電極和銅電極的電極電勢分別為:RT ln aZn22FaCu2 -電極電勢的大小與電極性質、溶液中有關離子的活度及溫度有關。 在電化 學中電極電勢的數值是相對值，通常將標準氫電極( p=100kPa, sh+=1 )的電 極電勢定為零，將它作為負極與待測電極組成一原電池， 此電池的電動勢即為 該待測電極的電極電勢。由于使用氫電極較麻煩，故常用其他可逆電極作為比 較電極，常用的比較電極有甘汞電極，氯化銀電極等。對于298K時各電極的標準電極電勢可以在物理化學手冊中查到。本實驗是在實驗溫度下測得的電極電勢t。由(1-2)、(1-3)兩式計算。為方便可采用下式求出298K時

10、的標準電極電勢298K :案2981 2-:T 一 298 ； T 一 298（式 1-4）式中，a B為電池電極的溫度系數。對 Zn-Cu電池來說:銅電極（Cu /Cu）, a=）.000016V?K , B =0鋅電極（Zn2+/Zn）, a =0.0001V?K, B =0.62 x-1a/?K-2三、儀器和試劑穩壓電源是能為 負載提供穩定之久電 源的電子裝置，其作 用是將交流電轉變為 直流電（2.2V），要 求其為整個電路提供 電源，其值不應小于 標準電池或待測電池 的值。1、儀器:SDC- U數字電位差綜合測試儀5套銅、鋅電極和飽和甘汞電極各 5個、鹽橋5個UJ-25型電位差計、穩壓

11、電源、檢流計、標準電池兩套、導線若干電鍍裝置：工作電源、滑動變阻器、開關、銅片、導線、安培表、方形槽5個蒸餾水瓶、10個100mL小燒杯（每桌兩個）砂紙、濾紙、盛有廢紙的燒杯、4個廣口瓶回收廢溶液2、試劑:飽和的KCl溶液、鍍銅液6 M的HNO3溶液、3 M稀硫酸0.1 M 的 CuSO4 溶液、0.1 M 的 ZnSO4 溶液、四、實驗步驟1、前期準備工作1）鹽橋的制備將約100mL蒸餾水中加入約3g左右瓊脂，加熱至瓊脂完全溶解，加入30g左右的KCl充分攪拌至完全溶解，趁熱裝入 “ U形管中，不要夾帶氣泡或 留有斷層，靜置待瓊脂凝結后即可使用，不用時將其放入飽和 KCl溶液中存 放。2）常

12、規溶液的配制 0.1 M 的 CuSO4 溶液 500mL: 12.5g CuSC45H20+500mL 蒸餾水 0.1 M 的 ZnSO4 溶液 500mL: 8.05g ZnSO4+500mL 蒸餾水 6 M 的 HNO3溶液 500mL: 187.5mL HNO3+500mL 蒸餾水 3 M 稀硫酸 500mL: 83.3mL H2SO4+500mL 蒸餾水教案3）鍍銅液的制備100mL 蒸餾水 +15g CuSO4?5H20+5g H2SO4+5g 無水乙醇2、電極的制備1）鋅電極的制備用砂紙將鋅電極打磨2cm,將其浸在3 M稀硫酸中浸洗幾秒鐘洗凈鋅表 面的氧化物（冒泡即可），用大量的

13、自來水沖洗，然后用蒸餾水淋洗，用濾紙 吸干，放在盛有0.1 M的ZnS04溶液中待測。將鋅電極進行汞齊化處理的目的是因為鋅棒中不可避免地會含有其他金 屬雜質，在溶液中本身會成為微電池，鋅電極電勢較低（-0.7627V）,在溶液 中，氫離子會在鋅的雜質（金屬）上放電，且鋅是較活潑的金屬，易被氧化， 影響實驗準確性，進行汞齊化時為了消除金屬表面機械應力和表面副反應的影 響，以獲得重現性好的電極電勢。鋅汞齊化，成為Zn（Hg），能使鋅溶解于汞中，并處于飽和狀態，此時鋅在汞齊中和純態的化學勢相等，活度仍為1，氫在汞上的超電勢較大，在該實驗條件下，不會釋放出氫氣。鋅汞齊電極的電極 電勢和鋅電極的電極電勢

14、相等。在制備鋅汞齊電極時，首先用稀硫酸溶液洗凈 鋅表面的氧化物，再用蒸餾水淋洗，然后浸入汞或飽和硝酸亞汞溶液中約 35s，取出后用濾紙擦拭鋅電極，使鋅電極表面有一層均勻光亮的鋅汞齊 （汞 有毒！用過的濾紙應投入指定的有蓋的廣口瓶中，瓶中應有水淹沒濾紙，不要隨便亂丟），用蒸餾水沖洗干凈并用濾紙吸干表面的水份。注：小燒杯中溶液的量不可過多，沒過電極1.5cm即可，否則打磨過的電 極與未打磨過的電極同時插入溶液中， 本身產生微弱電勢，影響實驗結果的準 確性。2）銅電極的制備1Cu電極用細砂紙磨光4cm左右在HNO3（6molL-）浸洗片刻，除去氧化物自來水沖洗蒸餾水淋洗接電池負極電鍍（i=2025m

15、A cm-2, 2030min）,使表面形成一層新鮮的鍍層蒸餾水淋洗用濾紙吸干，置于0.1 M的CuSO4溶液中待測。線路見圖1-2鍍銅裝置。教:案圏1-2熊銅裝宣4|注：由于銅表面極易氧化，故需在測量前進行電鍍，電鍍前，銅電極表面 要求平整光潔，電鍍時電流密度不宜過大，電流密度過大，會使得鍍層質量下降，電鍍不均勻，電流密度小，時間過長。（5組調節電流為0.4A）3、電池電動勢的測定1測定電池A. Zn(s)|ZnS04(0.1000mol kg-1)|CuS04(0.1000molkg-1)|Cu(s)B. Zn(s)|ZnSO4(0.1000mol kg-1)|甘汞電極(KCl(飽和)/H

16、g2Cb/Hg)C. 甘汞電極 |CuSO4(0.1000molkg-1)|Cu(s)2) SDC- U數字電位差綜合測試儀使用方法，其面板圖如圖 1-3所示。&關-目闕L圖1-3數字電位差綜合測試儀面板圖 開機用電源線將儀表后面板的電源插座與 220V電源連接，打開電源開關 (ON)，預熱15min再進行下一步操作。 以內標為基準進行測量A.校驗a. 將測量選擇”旋鈕置于內標”b. 將測量線分別插入測量插孔內，將 “10'為旋鈕置于“ 1，補償”旋鈕逆時針旋到底，其他旋鈕均置于“0”此時，電位指標”顯示“1.00000 ” V各兩測試線短接。c. 待 檢零指示”顯示數值穩定后

17、，按一下 歸零”鍵，此時，檢零指 示”顯示為“0000”B.測量a. 將測量選擇”置于測量”b. 用測試線將被測電動勢按“ +”-”極性與 測量插孔”連接。c. 調節“l0l0-4”五個旋鈕，使“檢零指示”顯示數值為負且絕對值 最小d. 調節“補償旋鈕”，使“檢零指示”顯示為“ 0000”此時，“電位顯示”數值即為被測電動勢的值。注：若測量過程中，若“檢零指示”顯示溢出符號“OU.L ”，說明“電位指示”顯示的數值與被測電動勢的值相差過大。電阻箱10-4檔值若稍有誤差可調節“補償”電位器達響應值。 以外標為基準進行測量A.校驗a. 將測量選擇”旋鈕置于外標”b. 按已知電動勢的標準電池按“ +

18、”“-”極性與“外標插孔”連接c. 調節“1010-4”五個旋鈕和 補償”旋鈕，使 電位顯示”的數值與外 標電池數值相同。d. 待 檢零指示”顯示數值穩定后，按一下 歸零”鍵，此時，檢零指 示”顯示為“0000”B.測量a. 拔出“外標插孔”的測試線，再用測試線將被測電動勢按“+” “- 極性接入“測量插孔”b. 將“測量選擇”置于“測量”c. 調節“1010-4”五個旋鈕，使“檢零指示”顯示數值為負且絕對值最 小d. 調節“補償旋鈕”，使“檢零指示”顯示為“ 000Q”此時，“電位顯示”數值即為被測電動勢的值。 關機實驗結束后，規整儀器，關閉電源。3）UJ-25型電位差計，其面板圖如圖1-4

19、所示圖1-4UJ-25型電位差計面板圖1電計按鈕（共3個）；2轉換開關；3電勢測量旋鈕（共6個）；4工作電流調節旋鈕（共4個）；5標準電池溫度補償旋鈕電位差計使用時都配用靈敏檢流計和標準電池以及工作電源。UJ-25型電位差計測電動勢的范圍其上限為 600V，下限為0.000001V，但當測量高于 1.911110V以上電壓時，就必須配用分壓箱來提高上限。下面說明測量1.911110V以下電壓的方法： 使用前，應將轉換開關放在斷的位置，電計按鈕全部松開 依次接上工作電源、標準電池、檢流計、被測電池。 溫度校正標準電池電動勢。Et/V =1.01830-0.0000406t/C -20 將轉換開關

20、置于“N'（標準），按 粗”電計按鈕，旋動 粗” 中”細”微”旋鈕，觀察檢流計光點偏轉情況，直至檢流計示零；按細”電計按鈕，重復上述操作。 將轉換開關置于X1或X2，從左到右依次調節測量盤，先在電計按鈕 在 粗”時檢流計示零，按 細”電計按鈕，重復操作。 讀取測量盤下方小孔示數即為所測電動勢的數值。4、實驗完畢拆除線路和儀器電源，將鹽橋和飽和甘汞電極放回飽和KCI溶液中保存，其它試劑倒入廢液桶中，清洗電極和燒杯，整理儀器及桌面。五、數據處理1、室溫記錄：t =C2、記錄上列三組電池的電動勢測定值時間.min 電池'電動勢2468101214平均值理論值Cu-Z n甘汞-ZnCu

21、-甘汞3、計算時遇到電極電位公式（式中t為°C）如下：:（飽和甘汞）/V = 0.24380 - 6.5 10-4（恢-25）£ 甘汞 /V = 0.2415/雰8 Cu2 /Cu /V = 0.337V ; 喘8 Zn2 /Zn /V 二-0.7628V ;4、 計算時有關電解質的離子平均活度系數±25 C）如下：-1j-h0.1000 mol kg CuSO4 YCu ） = y= 0.16-12 4-0.1000 mol kg ZnS04 YZn ） = y= 0.155、 由測得的三個原電池的電動勢進行以下計算：<p<p（1）由原電池B獲得Zn

22、2/Zn和Zn2 /Zn<p<p（2）由原電池C獲得Cu2 /Cu和 J2 /Cu將原電池A測得的電動勢同B與C得到的電極電動勢計算該電池的 電動勢。兩者進行比較。注：1、在連接線路 時，切勿將標準電池、 工作電池、待測電池的正負極接反。2、測量過程中， 若檢流計受到沖擊， 立即按短路，以保護 檢流計。3、由于工作電池 的電動勢發生變化， 測量過程中要經常標 定電位差計。4、測量時，電計 按鈕按下的時間應盡 量短，防止電流通過， 改變電極平衡狀態。5、注意保護標準 電池，不可橫放、倒 置及搖動，正負二極 導線，不可相碰，以 免短路，使用時只能 通過電鍵短暫的接通 并迅速的找到平衡

23、點。6、測量前，應大 概計算一下待測電池 的理論電動勢，盡量 減少測量時間7、為防止飽和甘 汞電極電極電勢數據 不穩定，實驗前應將 甘汞電極浸泡在飽和 KCl溶液中，建立平 衡。若數據不準確， 應及時更換飽和甘汞 電極中的溶液。甘汞電極在使用 時，電極上端小孔的 橡皮塞應拔去，以防 止產生擴散電位影響 測試結果。注意汞蒸 氣有毒，使用甘汞電 極時要小心。（4）將計算結果與文獻值比較。六、附錄：1、直流電位差計采用補償測量法，以標準電池的電動勢作為實際標準，直接測量電 動勢或電壓，間接測量電流、電阻以及其他電和非電的量值。它的主要優點是測量時幾 乎不損耗被測對象的能量，測量結果穩定可靠，而且有很

24、高的準確度，因此為教學、科 研、生產及計量檢修部門所廣泛使用。UJ-25型電位差計工作原理UJ-25型電位差計為高精度 0.01級、高電勢電位差計，它的測量盤結構屬于串聯代換 式線路，即測量電阻是由代換十進盤組成的。其原理線路簡圖如圖1-4所示。圖1-5UJ-25型電位差計原理圖2、檢流計檢流計又稱為電流計，它是屬于高感度的精密電流表。在平衡式直流電測量（如作為電位差計、電橋的附件）中主要用于示零，而在光電測量中用于微弱直流電流的測量。圖1-6直流復射式檢流計原理示意圖在物理化學實驗中，目前應用較多的是磁電式直流復射式檢流計，其工作原理是在 磁電式電流表的可動線圈上連接一個小反射鏡，并用磷青銅

25、絲懸吊起來。當被測電流通 過可動線圈時所產生的轉動力矩使線圈偏轉，而磷青銅吊絲扭力所產生的反力矩阻止了 可動線圈的繼續轉動而停留在某一偏轉角上。為使可動線圈的轉動反映到標尺上指示出 數值來，利用檢流計內的照明燈發出的一束光照射在可動線圈上的小反射鏡上，又經多次光點反射，最后在半透明的標尺上成像，指示出可動線圈的偏轉角，從而表示出電流 的大小。圖1-6給出了目前常用的 ACI5型直流復射式檢流計的結構示意圖。圖1-7標準電池示意圖標準電池是一種將 化學能轉換為電能，能 復現并保存電壓單位伏 特的量值的標準量具。 它能夠保持足夠恒定電 動勢的原電池，以供校 準用。3、標準電池標準電池的電動勢具有很

26、好的重現 性和穩定性，它在實際工作中作電壓測 量的標準量具或工作量具，在直流電位 差計電路中提供一個標準的參考電壓。國際上規定威斯登 （Weston）標準電 池作為電勢測量的標準，其結構如圖 1-7所示。威斯登標準電池又稱為鎘汞 標準電池。標準電池分為飽和式和不飽和 式兩類。飽和式的可逆性好，重現性和穩 定性好，但溫度系數大，須經溫度校正，用于精密的測量中；不飽和式的可逆性差，穩 定性低，但其內阻較小（不大于5000），溫度系數很小，可省去溫度校正而用于精度要求 不很高的測量中。4、測量前可根據電化學基本知識初步估算一下被測電池的電動勢大小，以便在測量時能迅速找到平衡點，這樣可避免電極極化。為

27、了判斷所測量的電動勢是否為平衡點是，一般應在15 min左右的時間內，等間隔地測量78個數據。若這些數據時在平均值附近擺動，偏差小于土0.5 mV,則可認為已達到平衡，并取最后三個數據的平均值作為該電池的電動勢。七、思考題1、為何測電動勢要用對消法，對消法的原理是什么？答：因為原電池電動勢定義是在電流等于零時才能測出準確值，當電路中 有電流時，電極處產生極化作用，即電極電勢降低，測量值低于實際值，故必須在電流趨于零時測量，而只有對消法可滿足這個條件。其原理是在待測電池上并聯一個方向相反、 數值相等的外電勢來抵消原電 池的電動勢，使連接兩電極的導線上的電流趨向于零， 這時所測出的電動勢就 等于被

28、測電池電動勢。2、標準電池的作用是什么？應如何維護？答：標準電池的作用是在直流電位差計電路中提供一個穩定的抑制數值的參考電壓，以此電動勢來計算未知電池電動勢標準電池在使用過程中，不可避免地會有充、放電流通過，使電極電勢偏 離其平衡電勢值，導致整個電動勢的改變。雖然飽和式標準電池的去極化能力 較強，充、放電流結束后電動勢的恢復也較快，但應對通過標準電池的電流嚴格限制在允許的范圍內。由于標準電池的溫度系數與正負極都有關系，故放置時必須使兩極處于同 一溫度。飽和標準電池中的CdSO4?8/3H2O晶粒在溫度波動的環境中會反復不斷 的溶解，再結晶，致使原來很微小的晶粒結成大塊，增加了電池的內阻，江都 了電位差計中檢流計回路的靈敏度。因此應盡可能將標準電池置于溫度波動不 大的環境中。機械振動會破壞標準電池的平衡，因此，標準電池不可搖動、傾斜、橫放 和倒置。此外，正負二極導線，不可相碰，以免短路，使用時只能通過電鍵短 暫的接通并迅速的找到平衡點。光會使Hg2SO4變質，此時，標準電池仍可能具有正常的電動勢值，但其 電動勢對于溫度變化的滯后特性較大，因此，儲存時需要避光。3、使用鹽橋的目的是什么？為