电极制备及电池电动势的测定

实验104　电极制备及电池电动势的测定

实验目的

学会铜电极、锌电极和甘汞电极的制备和处理方法；掌握电势差计的测量原理和测定电池电动势的方法；加深对原电池、电极电势等概念的理解。

实验原理

原电池是由两个“半电池”组成的，每一个半电池中包含一个电极和相应的电解质溶液。不同的“半电池”可以组成不同的原电池。电池的电动势为组成该电池的两个半电池的电极电位的差值，即

式中：E为电池的电动势；φ_＋为正极的电极电位；φ_－为负极的电极电位。

如果已知一个半电池的电极电位，通过测定电池的电动势即可求得另一个半电池的电极电位。由于电极电位的绝对值不能测量，在电化学中，通常以标准氢电极为标准（电极电位定为零）而求出其他电极的电极电位相对值，由于使用标准氢电极条件要求苛刻，难以实现，故常用一些制备简单、电势稳定的可逆电极作为参考电极来代替，如甘汞电极、银－氯化银电极等。这些电极与标准氢电极比较而得到的电势值已精确测出，在物理化学手册中可以查到。

电池电动势不能用伏特计直接测量。因为当把伏特计与电池接通后，由于电池放电，不断发生化学变化，电池中溶液的浓度将不断改变，因而电动势值也会发生变化；另一方面，电池本身存在内电阻，所以伏特计所测量的只是两电极上的电势降，而不是电池的电动势，只有在没有电流通过时的电势降才是电池真正的电动势。因此，电动势是利用对消法原理，采用电位差计来测量（见图6－21）。

图6－21　对消法测电动势

测定方法是：首先根据标准电池的电动势进行电位差计的标准化，即先将C点移到与标准电池S电动势值相对应的刻度C₁处，将K与S相通，迅速调节可变电阻R直至G中无电流通过。此时S的电动势与AC₁的电势降等值反向而对消，这样就校准了AB上电势降的标度。然后进行测定，固定R，将K与X接通，迅速调节C至C₂点，使G中无电流通过，此时X的电势与AC₂的电势降等值反向而对消C₂点所标记的电势降数值即为X的电动势。

另外，当两种电极的不同电解质溶液接触时，在溶液的界面上总有液体接界电势存在。在电动势测量时，常应用“盐桥”使原来产生显著液体接界电势的两种溶液彼此不直接接界，降低液体接界电势到亳伏数量级以下。用得较多的盐桥有KCl （3mol·L^－1或饱和）、KNO₃、NH₄NO₃等的溶液。

实验用品

仪器　电势差计；标准电池；干电池（1.5V）；电极管；检流计；低压直流电源；电流表（0～50mA）；电极架；针筒（10mL）等。

试剂　饱和氯化钾溶液；CuSO₄（0.2000mol·L^－1）；纯汞；ZnSO₄（0.1000mol·L^－1）；饱和硝酸亚汞溶液；稀硫酸（3mol·L^－1）；稀硝酸（6mol·L^－1）；镀铜溶液（100mL水中溶解15g CuSO₄·5H₂O、5g H₂SO₄、5g C₂H₅OH）等。

实验步骤

1.电极制备

锌电极：先用稀硫酸（约3mol·L^－1）洗净锌电极表面的氧化物，再用蒸馏水淋洗，然后浸入饱和硝酸亚汞溶液3～5s，用镊子夹住一小团清洁的湿棉花轻轻擦拭电极，使锌电极表面上有一层均匀的汞齐，再用蒸馏水冲洗干净。把处理好的电极插入清洁的电极管内并塞紧，将电极管的虹吸管口浸入盛有硫酸锌溶液的小烧杯内，用针筒自支管抽气，将溶液吸入电极管直至浸没电极略高一点，停止抽气，旋紧螺旋夹。电极装好后，虹吸管内不能有气泡，也不能有漏液现象。

图6－22　镀铜装置

铜电极：先用稀硝酸洗净电极表面的氧化物，再用蒸馏水淋洗，然后把它作为阴极，另取一块纯铜片作为阳极，在镀铜溶液内进行电镀，其装置如图6－22所示。

电镀的条件：电流密度为25mA·cm^－2左右，电镀时间为20～30min。电镀后应使铜电极表面有一紧密的镀层，取出铜电极，用蒸馏水冲洗干净，插入电极管，按上法吸入CuSO₄溶液。

2.电池电动势的测量

按规定装好电势差计的测量电动势线路。将标准电池和工作电池分别接在电位差计（附录A）的标准和工作电池端上，将检流计接在电计端上。先读取环境温度，校正标准电池的电动势；调节标准温度补偿旋钮至计算值；将转换开关旋至“N”处，转动工作电流调节旋钮粗、中、细，依次按下电计按钮“粗”、“细”，直至检流计示值为零。在测量过程中，要经常检查是否发生偏离，加以校正。

以饱和氯化钾溶液为盐桥，分别将上面制备的电极组成电池，并接入电势差计的测量端上，从大到小旋转电势测量旋钮，按下电计按钮，直至检流计示值为零。读数，得测量电池的电动势。

实验时测量如下三电池的电动势（电池③为组合电池，组合图如图6－23所示）。

图6－23　电池组合示意图

1—数字式电位差计；2—CuSO₄（c₁）溶液；3—铜片；4—饱和KCl溶液；5—ZnSO₄（c₂）溶液；6—锌片

实验结果与数据处理

（1）记录上面列出的三组电池的电动势测定值。

思考题

（1）为什么不能用伏特计测量电池的电动势？

（2）对消法测量电池电动势的主要原理是什么？

（3）应用UJ－25型电势差计测量电动势的过程中，若检流计光点总往一个方向偏转，这可能是什么原因？