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1、课 时 教 学 实 施 方 案课程：物理化学实验 授课班级：12级化工1-3班 授课学期：2014-2015 学年1学期课 题电极制备和原电池电动势测定计划学时5教 学 目 的1、理解对消法测定电动势的原理；2、掌握SDC-数字电位差综合测试仪及UJ-25型电位差计、检流计、标准电池的使用方法；3、测定丹尼尔电池电动势，铜、锌电极的电极电势。 重 点测定丹尼尔电池电动势，铜、锌电极的电极的准备难 点能斯特方程求电动势、电极电势教具准备SDC-数字电位差综合测试仪5套、铜、锌电极和饱和甘汞电极各5个、盐桥5个、UJ-25型电位差计、工作电源、检流计、标准电池两套、导线饱和的KCl溶液、6 M的H
2、NO3溶液、3 M稀硫酸、0.1 M的CuSO4溶液、0.1 M的ZnSO4溶液、镀铜液、5个蒸馏水瓶、10个100mL小烧杯（每桌两个）、砂纸、滤纸、盛有废纸的烧杯、4个广口瓶回收废溶液电镀装置一套：工作电源、滑动变阻器、开关、铜片、导线、安培表、方形槽教 学 后 记教 学 进 程 设 计（包括教学要点、步骤、方法、时间安排及板书设计、作业布置等）一、讲解实验原理-内消法测定原理 20分钟二、讲解SDC-数字电位差综合测试仪和UJ-25型电位差计的使用方法 40分钟三、铜、锌、饱和甘汞电极的准备 30分钟四、电镀装置的使用 20分钟五、 指导学生实验以及实验过程中的注意事项 30分钟六、指导
3、学生进行实验。 150分钟作业布置：撰写实验报告备注教 案实验一：原电池电动势的测定及应用一、实验目的1、通过电动势的测定，了解对消法测电动势的基本原理、仪器构造和使用方法。2、掌握SDC-数字电位差综合测试仪及UJ-25型电位差计、检流计、标准电池的使用方法；3、测定丹尼尔电池电动势，铜、锌电极的电极电势二、实验原理原电池由正、负两极和电解质组成。电池在放电过程中，正极上发生还原反应，负极上则发生氧化反应，电池反应是电池中所有反应的总和。电池除了可用作电源外，还可以用来研究构成此电池的化学反应的热力学性质，从化学热力学得知，在恒温、恒压、可逆条件下，电池反应有以下关系： (式1-1)式中是电
4、池反应的吉布斯自由能增量；n为电极反应中电子得失数；F为法拉第常数；E为电池的电动势。从式中可知，测得电池的电动势E后，便可求得，进而又可求得其他热力学参数。但需注意，首先要求被测电池反应本身是可逆的，即要求电池的电极反应是可逆的，并且不存在不可逆的液接界。同时要求电池必须在可逆情况下工作，即放电和充电过程都必须在准平衡状态下进行，此时只允许有无限小的电流通过电池。因此，在用电化学方法研究化学反应的热力学性质时，所涉及的电池应尽量避免出现液接界，在精确度要求不高的测量中，常用“盐桥”来减小液接界电势。为了使电池反应在接近热力学可逆条件下进行，一般采用电位差计测量电池的电动势。1、对消法(补偿法
5、)测电池电动势可逆电池必须满足的条件之一是通过的电流为无限小。当有限电流通过教 案时，在电池内阻上要产生电位降，从而使得两极间的电位差较电池电动势为小。因此，只有在没有电流通过电池时两电极间的电位差才与电池电动势相等。之所以不能直接用伏特计来测量一个可逆电池的电动势，就是因为使用伏特计时必须使有限的电流通过回路才能驱动指针旋转，所得结果必然不是可逆电池的电动势，而只是不可逆电池两极间的电位差。图1-1 对消法测量原理示意图 一般采用对消法测可逆电池的电动势，常用的仪器为电位差计。电位差计是按照对消法测量原理而设计的一种平衡式电压测量仪器。它与标准电池、检流计等相配合，成为电压测量的基本仪器。图
6、1-1是对消法测量原理示意图,其中Ew是工作电池，Rp是可变电阻，AC是均匀的滑线电阻，Es是标准电池，Ex是待测电池，G是检流计，K是换向开关。工作电流回路，也叫电源回路。从工作电池正极开始，经滑线电阻AC，再经工作电流调节电阻Rp，回到工作电池负极。它的作用是借助于调节Rp使在AB上产生一定的电位降。标准回路，也叫校准回路，是校准工作电流回路。从标准电池的正极开始(当换向开关K扳向Es一方时)，经滑线电阻上AB段，再经检流计G，回到标准电池负极。它的作用是用标准工作电流回路以标定AB上的电位降。借助于调节Rp，使G中无电流通过，此时AB段上的电位降与标准电池电动势相对消，大小相等而方向相反
7、。测量回路。从待测电池的正极开始(当换向开关K扳向Ex一方时)，经滑线电阻上AB段，再经检流计G，回到待测电他负极。它的作用是用标定好了的滑线电阻AC上的电位降来测量未知电池的电动势。在保持校准后的工作教 案电流I不变(即固定Rp)的条件下，在AC上寻找出B点，使得G中电流为零，即IG0，此时在滑线电阻AB段上的电位降与待测电池的电动势Ex相对消，大小相等而方向相反。2、原电池电动势主要是两个电极的电极电势的代数和，如能分别测定出两个电极的电势，就可以计算得到由他们组成的电池电动势。下面以锌-铜电池为例进行分析。铜锌电池表达式：Zn(s)ZnSO4(a1)CuSO4(a2)Cu(s) 负极反应
8、： Zn(s) Zn(a1) + 2e + 正极反应： Cu (a2) + 2e Cu(s) 电池反应： Zn +Cu(a2)Zn(a1) +Cu根据能斯特公式，锌电极和铜电极的电极电势分别为： (式1-2) (式1-3) 电极电势的大小与电极性质、溶液中有关离子的活度及温度有关。在电化学中电极电势的数值是相对值，通常将标准氢电极（p=100kPa，aH+=1）的电极电势定为零，将它作为负极与待测电极组成一原电池，此电池的电动势即为该待测电极的电极电势。由于使用氢电极较麻烦，故常用其他可逆电极作为比较电极，常用的比较电极有甘汞电极，氯化银电极等。对于298K时各电极的标准电极电势可以在物理化学
9、手册中查到。本实验是在实验温度下测得的电极电势。由(1-2)、(1-3)两式计算。为方便可采用下式求出298K时的标准电极电势：教 案 (式1-4)式中，、为电池电极的温度系数。对Zn-Cu电池来说：铜电极(Cu2+/Cu)，=-0.000016VK-1，=0锌电极(Zn2+/Zn)，=0.0001VK-1，=0.6210-6 VK-2三、仪器和试剂1、仪器：SDC-数字电位差综合测试仪5套铜、锌电极和饱和甘汞电极各5个、盐桥5个UJ-25型电位差计、稳压电源、检流计、标准电池两套、导线若干电镀装置：工作电源、滑动变阻器、开关、铜片、导线、安培表、方形槽5个蒸馏水瓶、10个100mL小烧杯（每
10、桌两个）砂纸、滤纸、盛有废纸的烧杯、4个广口瓶回收废溶液2、试剂：饱和的KCl溶液、镀铜液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、实验步骤1、前期准备工作1）盐桥的制备将约100mL蒸馏水中加入约3g左右琼脂，加热至琼脂完全溶解，加入30g左右的KCl充分搅拌至完全溶解，趁热装入“U”形管中，不要夹带气泡或留有断层，静置待琼脂凝结后即可使用，不用时将其放入饱和KCl溶液中存放。2）常规溶液的配制0.1 M的CuSO4溶液500mL：12.5g CuSO45H2O+500mL蒸馏水0.1 M的ZnSO4溶液500mL：8.05g ZnSO4+
11、500mL蒸馏水6 M的HNO3溶液500mL：187.5mL HNO3+500mL蒸馏水3 M稀硫酸500mL：83.3mL H2SO4+500mL蒸馏水稳压电源是能为负载提供稳定之久电源的电子装置，其作用是将交流电转变为直流电（2.2V），要求其为整个电路提供电源，其值不应小于标准电池或待测电池的值。教 案3）镀铜液的制备100mL蒸馏水+15g CuSO45H2O+5g H2SO4+5g无水乙醇2、电极的制备1）锌电极的制备用砂纸将锌电极打磨2cm，将其浸在3 M稀硫酸中浸洗几秒钟洗净锌表面的氧化物（冒泡即可），用大量的自来水冲洗，然后用蒸馏水淋洗，用滤纸吸干，放在盛有0.1 M的ZnS
12、O4溶液中待测。将锌电极进行汞齐化处理的目的是因为锌棒中不可避免地会含有其他金属杂质，在溶液中本身会成为微电池，锌电极电势较低（-0.7627V），在溶液中，氢离子会在锌的杂质（金属）上放电，且锌是较活泼的金属，易被氧化，影响实验准确性，进行汞齐化时为了消除金属表面机械应力和表面副反应的影响，以获得重现性好的电极电势。锌汞齐化，成为Zn(Hg)，能使锌溶解于汞中，并处于饱和状态，此时锌在汞齐中和纯态的化学势相等，活度仍为1，氢在汞上的超电势较大，在该实验条件下，不会释放出氢气。锌汞齐电极的电极电势和锌电极的电极电势相等。在制备锌汞齐电极时，首先用稀硫酸溶液洗净锌表面的氧化物，再用蒸馏水淋洗，然
13、后浸入汞或饱和硝酸亚汞溶液中约35s，取出后用滤纸擦拭锌电极，使锌电极表面有一层均匀光亮的锌汞齐（汞有毒！用过的滤纸应投入指定的有盖的广口瓶中，瓶中应有水淹没滤纸，不要随便乱丢），用蒸馏水冲洗干净并用滤纸吸干表面的水份。注：小烧杯中溶液的量不可过多，没过电极1.5cm即可，否则打磨过的电极与未打磨过的电极同时插入溶液中，本身产生微弱电势，影响实验结果的准确性。2）铜电极的制备Cu电极用细砂纸磨光4cm左右在HNO3(6molL-1)浸洗片刻，除去氧化物自来水冲洗蒸馏水淋洗接电池负极电镀(i=2025mAcm-2，2030min) ，使表面形成一层新鲜的镀层蒸馏水淋洗用滤纸吸干，置于0.1 M的
14、CuSO4溶液中待测。线路见图1-2 镀铜装置。教 案注：由于铜表面极易氧化，故需在测量前进行电镀，电镀前，铜电极表面要求平整光洁，电镀时电流密度不宜过大，电流密度过大，会使得镀层质量下降，电镀不均匀，电流密度小，时间过长。（5组调节电流为0.4A）3、电池电动势的测定1）测定电池A. Zn(s)|ZnSO4(0.1000molkg-1)|CuSO4(0.1000molkg-1)|Cu(s) B. Zn(s)|ZnSO4(0.1000molkg-1)|甘汞电极 (KCl(饱和)/Hg2Cl2/Hg)C. 甘汞电极|CuSO4(0.1000molkg-1)|Cu(s)2）SDC-数字电位差综合测试仪使用方法，其面板图如图1-3所示。图1-3 数字电位差综合测试仪面板图教 案开机用电源线将仪表后面板的电源插座与220V电源连接，打开电源开关(ON)，预热15mi
