原电池

概念教师准备学生实验方案
0 次观看03:31 分钟
Print Procedure Steps
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

来源：美国马里兰州约翰斯·霍普金斯大学 Smaa Koraym

  1. 构建铅-铜置换电池

    在本实验中，您将构建一个铅-铜原电池，然后测量在阳极和阴极发生的氧化还原反应过程中产生的电压。

    • 首先，穿戴必要的个人防护装备，包括实验服、手套和防化学飞溅护目镜。
    • 配制 100 mL 的 0.05 M 硫酸铜溶液。首先，根据五水合硫酸铜的摩尔质量计算所需称取的硫酸铜质量。
    • 量取计算好的量，并转移至100 mL容量瓶中。
    • 量取50 mL去离子水，倒入烧瓶中，并用石蜡膜密封烧瓶。反复振荡烧瓶直至硫酸铜完全溶解。
    • 量取另外50 mL去离子水，加至容量瓶刻度线至100 mL处。用石蜡膜封口，倒置并旋转摇动容量瓶，直至溶液呈现均匀状态。用标签标注该硫酸铜溶液的准确浓度。
    • 配制20 mL 0.05 M的硝酸铅溶液。计算所需硝酸铅的质量，称取后加入20 mL容量瓶中。
    • 量取10 mL去离子水，加入硝酸铅中。密封烧瓶并搅拌溶液，直至硝酸铅完全溶解。
    • 量取另外10 mL水并转移至容量瓶中，直至溶液液面达到刻度线。密封容量瓶并充分混匀溶液。用所配制的准确浓度标记溶液。
    • 现在，搭建原电池。首先，取两片铜片、一条铅条和一张砂纸。
    • 取一个6孔反应板，将硫酸铜溶液倒入其中一个孔中，加至孔体积的3/4。在相邻的孔中加入硝酸铅溶液。务必标记这两个孔。
    • 将您的600 mL烧杯标记为“废液”。
    • 使用砂纸打磨铜片和铅片。打磨后，用去离子水冲洗每片金属条。
    • 使用万用表，将红色和黑色表笔分别连接至正极和负极对应接口。用鳄鱼夹将铜条连接至其中一个表笔，铅（Pb）条连接至另一个表笔。
    • 将铜条放入硫酸铜溶液中，将铅（Pb）条放入硝酸铅溶液中。调整两个电极，使电极的一半浸入溶液中，必要时可弯曲电极以固定位置。
    • 取一根已在硝酸钾溶液中浸泡过的弦线。
    • 用镊子将棉线的一端放入硫酸铜溶液中，另一端放入硝酸铅溶液中，注意勿使其接触任一电极。此棉线将作为盐桥。
    • 将万用表调至电压档位并读取数值。若读数为负值，则需调换连接电极的表笔。将电压读数记录在实验记录本中。

      表1：铅-铜原电池

      ΔE 测量值（伏特）
      阳极
      阴极
      点击此处下载表1
    • 使用玻璃温度计测量其中一个孔的温度，并记录在实验记录本中。
    • 实验结束后，从电泳槽中取出电极，将溶液倒入废液杯中，并将盐桥丢入垃圾桶。用去离子水冲洗铜片和铅片，然后用纸巾擦干。
  2. 带有未知电极的原电池

    在本部分实验中，你将使用一种未知电极及其相应的溶液构建一个原电池。然后通过还原电位来确定该电极材料。你的指导教师将为你指定待测的未知样品。

    • 选择相应的未知电极，并使用10 mL量筒量取8 mL未知溶液。
    • 将未知溶液倒入一个未使用的孔中。标记盛有未知溶液的孔，并将硫酸铜溶液倒入相邻的孔中。
    • 从万用表连接处取下铅（Pb）条，并替换为待测样品条。
    • 保持铜条连接。将电极插入对应的孔穴中，必要时可弯曲电极以固定位置。
    • 取出另一个盐桥，像之前一样将两端分别放入两个电极室中，确保盐桥未接触任一电极。
    • 打开万用表并记录电压读数。

      表2：未知的伽伐尼电池

      金属1 溶液1 金属 2 溶液2 ΔE 测量值
      （伏特）      		Eº 铜
      （伏特）      		Eº 未知
      （伏特）      		ΔEº 标准条件
      （伏特）      		温度
      (K)      		n[红色]
      （M）      		[Ox]
      （M）
      铜铜
      硫酸盐      		未知
      #1      		未知
      #1
      铜铜
      硫酸盐      		未知
      #2      		未知
      #2
      点击此处下载表 2
    • 使用玻璃温度计测量未知样品孔的温度，并记录数值。
    • 实验结束后，将电极从孔中取出，用水冲洗，用纸巾擦干后备用。
    • 将溶液倒入废液容器中。如果指导教师指派了第二个未知样品，请以完全相同的方法再次进行实验。
  3. 构建浓度差电池

    在下一个实验中，你将构建一个铜浓度差电池。浓度差电池是一种原电池，其两个电极由相同的材料构成。其中一个半电池含有浓溶液，而另一个则含有稀溶液。当稀溶液一侧的电极发生氧化时，电极上的离子进入溶液，使其浓度升高。

    还原反应发生在浓差电池中，金属离子在电极上被还原并沉积，从而降低溶液的浓度。两个半反应在两电极之间产生电势差，直至达到平衡状态。

    你将使用铜电极、浓硫酸铜溶液和稀草酸铜溶液构建一个浓度差电池。通过测量因铜离子浓度不同而产生的电压差，可以确定两个半电池之间的电势差异。由于草酸铜的溶解度很低，你将利用测得的电压值来计算草酸铜溶液中铜离子的实际浓度。

    • 首先，制备草酸铜。从指导教师处获取 0.1 M 草酸，然后用草酸铜的化学式标记一个 100 mL 烧杯。
    • 量取50 mL草酸溶液，倒入烧杯中。使用移液管量取2 mL 0.05 M硫酸铜溶液，加入草酸溶液中。
    • 使用玻璃搅拌棒搅拌溶液约 5 分钟，以使反应有足够时间达到平衡。
    • 现在，将一个洁净的100 mL烧杯标记为“硫酸铜”，并将0.05 M溶液倒入其中。将硫酸铜烧杯与草酸铜烧杯放置在相邻位置。
    • 取0.1 M硝酸钾溶液置于已标记的100 mL烧杯中，将预先裁剪好的滤纸条浸入溶液中，浸泡20秒。此含盐滤纸将作为盐桥使用。
    • 将滤纸置于烧杯上方，使其连接两个半电池。
    • 测量其中一个烧杯中溶液的温度，并记录在实验记录本中。
    • 使用砂纸打磨两片铜条，打磨后用清水冲洗。
    • 将铜条连接到万用表的导线上，并将每个烧杯中各放入一个电极。
    • 打开万用表并测量电压。将该值记录在实验记录本中。

      表3：铜浓度差电池

      ΔE 测量值（伏特）
      温度（K）
      [Cu²+] (M)
      R (J/mol·K)8.314
      F（C/mol）96,485
      点击此处下载表3
    • 实验结束后，将电极从烧杯中取出，丢弃滤纸。断开电极连接，并用去离子水冲洗电极，然后用纸巾擦干。
    • 最后，将溶液倒入废液杯中。用小苏打中和液体废液，边旋转溶液边加入小苏打，直至不再产生气泡。将中和后的液体倒入指导教师提供的重金属废液容器中。
    • 用清水冲洗所有玻璃器皿，并将所有设备（包括电极）归还给指导教师。
  4. 结果
    • 首先，确定每个电极上发生的半反应。由于原电池中的氧化和还原反应是自发进行的，具有较高还原电位的反应将作为还原反应。在铅-铜电池的情况下，铜的半反应具有较高的还原电位；因此，在该原电池中铜被还原。
    • 相应地，铅电极上发生氧化反应。因此，铅电极上发生的半反应为氧化反应。氧化反应始终发生在阳极，因此铅电极是阳极。还原反应始终发生在阴极，故铜电极是阴极。你的万用表读数应等于两个半反应之间的电压差，即0.463伏特。
    • 确定电子流动的方向。由于电子始终从阳极流向阴极，因此电子将从铅电极流向铜电极。
    • 接下来，观察你的第一个未知的原电池。请记住，万用表测量的是两个半反应之间的电势差，这对应于你所测得的电压。
    • 我们知道其中一个电极是铜。因此，如果电压差为1.057伏，则另一个反应的还原电位为负0.720伏，这对应于锌的半反应。因此，未知电极为锌，未知溶液为硫酸锌。铜的还原电位高于锌，因此铜电极为还原电极，锌电极为氧化电极。
    • 使用能斯特方程计算硫酸锌溶液的浓度。能斯特方程将测得的电压 E 与标准条件下预期的还原电位 E⁰ 相关联。其中 R 为通用气体常数，T 为温度，F 为法拉第常数，n 为半反应中转移的电子数，Q 为反应商。h 是反应商。
    • 反应商等于被氧化物质的浓度除以被还原物质的浓度。在我们的原电池中，硫酸铜被还原，硫酸锌被氧化。由于已知硫酸铜的浓度为 0.05 M，因此可以计算出氧化半电池中物质的浓度，即本实验中的硫酸锌浓度。
    • 最后，观察铜浓度差电池。在此实验中，我们构建了一个原电池，其中一个半电池含有稀释的草酸铜溶液，另一个半电池含有硫酸铜溶液。由于随着实验的进行，稀释半电池中的铜离子浓度发生变化，因此可以利用能斯特方程计算溶解铜离子的浓度。
    • 在浓差电池中，两个电极相同，因此标准电极电势为0。电势差即为我们测得的电压，它源于两个半电池之间铜离子浓度的差异。代入已知数值后，即可求解稀释半电池中铜离子的浓度。此处，铜离子的浓度为7.9 × 10-7 M.