組員 : 49812036 陳彥樺 實驗儀器 、 步驟 、 操作方式 49812037 趙奕翔 實驗作圖...
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實驗四. 電池的電動式及單極電位的測定. 組員 : 49812036 陳彥樺 實驗儀器 、 步驟 、 操作方式 49812037 趙奕翔 實驗作圖 、 數據處理 49812038 賴亞元 實驗目的 、 原理 、 公式推導. 目的. 了解電位計的測定原理及檢驗方法 測定單極電池 測定電池中兩種電解質的電動勢 測定難溶鹵化鹽類的溶解度積 測定濃差電池的電位差. 原理. 不一樣的電極得失電子程度不相等,有不相同的電位 (Potential) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
組員 : 49812036 陳彥樺 實驗儀器、步驟、操作方式 49812037 趙奕翔 實驗作圖、數據處理 49812038 賴亞元 實驗目的、原理、公式推導
實驗四電池的電動式及單極電位的測定
目的• 了解電位計的測定原理及檢驗方法
• 測定單極電池
• 測定電池中兩種電解質的電動勢
• 測定難溶鹵化鹽類的溶解度積
• 測定濃差電池的電位差
原理• 不一樣的電極得失電子程度不相等,有不相同的
電位 (Potential)
• 兩電極間串連一檢流計,若檢流計有反應,則可得知有電流通過電路,即二電極間有電位差(Potential Difference)
• 電位之相差差使電流自較高電位電極流向較低電位電極,稱之為電池電動勢 (Electromotive Force)
測定電動勢• 通常在兩點間並聯一伏特計,但伏特計會有部分
電流通過而造成電極處產生反應,改變電解質濃度進而影響電池的電動勢
• 電池之內電阻會產生電位降 (IR drop)
V = ε - ir
• 改用電位計 (Potentialmeter) 測量,其在平衡狀態下只有極小或沒有電流通過
波更多夫補償原理 (Poggendroff compensation principle)
abaS
A
x εε
abaS
x εε
電池未知
電池已知
x
A
ε
ε
emf
emf
D
類似電位計功能
單極電極的電位• 以標準電極作為參考,選用標準氫電極 (Standard
Hydrogen Electrode) ,令其電位在任何溫度為零
• 標準氫電極製備不易,改用第二參考電極(Secondary Reference Electrode)
• 此實驗選用 Ag/AgCl 標準電極
Ag(s)+Cl- AgCl(s)-+e- εo=-0.2225V
電池的電位Example.
Cd|Cd²+(a=1)||Cu²+(a=1)|Cu
Cd 電極:氧化反應 Cd(s) Cd²+(a=1)+2e- ε25o
C=0.4030V
Cu 電極:還原反應 Cu²+(a=1)+2e- Cu(s) ε25o
C=0.3370V
全反應: Cd(s)+Cu2+(a=1) Cd2+(a=1)+Cu(s)
εcell=εCd+εCu=0.4030V+0.3370V=0.7400V
電池 emf 為正值,則反應為自然反應
電池 emf 為負值,則反應為非自然反應
Nernst Equation
aA+bB+……+ne- cC+dD+……
...[B][A]
...[D][C]nFRT0
ba
dc
lnεε
:法拉第常數:電子轉移數:絕對溫度:理想氣體常數:標準電位
F
n
T
R
ε0
電動勢計算溶解度積
:活度:絕對溫度:參與反應電子數
莫耳庫倫:法拉第常數:氣體常數
a
T
n
)/(96500F
R
Ag|AgCl(sat.)||AgNO3(0.1N)|Ag
陽極: Ag→Ag+(C1)+e-
陰極: Ag+(0.1N)+e-→Ag
全反應: Ag+(0.1N)→Ag+(C1)
(250C)
可由電動勢 ε 得到 C1 濃度
再求得溶解度積 Ksp=[Ag+][Cl-]
11Ag
Ag
C1.0
)C(a
)1.0(a
FRT-
AgAg log0591.0lnεεε
)C(alnεε 1AgFRT0
AgAg
)0.1(alnεεAgF
RT0AgAg
濃差電池Ag|AgNO3(C1)||AgNO3(C2)|Ag
陽極: Ag→Ag+(C1)+e-
陰極: Ag+(C2)+e-→Ag
全反應: Ag+(C2)→Ag+(C1)
(250C)11
22
1Ag
2Ag
CfCf
)C(a
)C(a
nFRT log0591.0ln
n :濃差離子電荷 ( 此實驗為 1)a :活度 (activity)f :平均活度係數C :濃度
其 AgNO3 濃度和平均活度係數關係 (250C) :
濃度 C 1N 0.1N 0.05N 0.02N 0.01N 0.005N
平均活度係數 f
0.58 0.733 0.795 0.858 0.892 0.922
藥品reagent Mol. WT. melting point density Ksp
ZnSO4 161.47g mol−1 680°C 3.8g/cm3
CuSO4 159.62g mol−1 560°C 3.603g/cm3
AgSO4 312gmol−1 652°C 5.45g/cm3
KCl 74.55gmol−1 776°C 1.987g/cm3
AgNO3 169.87g mol−1 212°C 4.35g/cm3
NH4NO3 80.052g mol−1 169.6°C 7.72g/cm3
AgCl 143.32g mol−1 455°C 5.56g/cm3 1.82*10-10
AgBr 187.77g mol−1 432°C 6.473g/cm3 5.0*10-13
AgI 234.77g mol−1 552°C 5.675g/cm3 8.3*10-17
Reagent Process
ZnSO4(1N) 取約 8.07g 的 ZnSO4 溶於適量的 RO 水中,後稀釋至 50ml
CuSO4(1N) 取約 7.98g 的 CuSO4 溶於適量的 RO 水中,後稀釋至 50ml
AgSO4(1N) 取約 15.6g 的 AgSO4 溶於適量的 RO 水中,後稀釋至 50ml
AgNO3(1N) 取約 8.49g 的 AgNO3 溶於適量的 RO 水中,後稀釋至 50ml
AgNO3(0.1N) 取約 0.85g 的 AgNO3 溶於適量的 RO 水中,後稀釋至 50ml
AgNO3(0.01N) 取約 0.08g 的 AgNO3 溶於適量的 RO 水中,後稀釋至 50ml
KCl(1N) 取約 3.73g 的 KCl 溶於適量的 RO 水中,後稀釋至 50ml
NH4NO3 在 30ml 水中加入過量的 NH4NO3,使其達飽和狀態,即仍有顆粒存在
AgCl 在 30ml 水中僅需加入數 mg ,勿超過 0.1gAgBr
AgI
明膠 取 3 % gelatin
洋菜 取 3 % agar
配藥
儀器裝置電位計
鹽橋 U 型玻璃管
金屬片 : 銀、鋅、銅各一Ag/AgCl 參考電極
溫度計
燒杯 (50ml *4 、 250ml *2)
電導線
脫脂棉砂紙
標準氫電極
Pt,H2(p=1atm)|[H+]||
2H+(aq)+2e- H2(g)
Ag/AgCl 參考電極
Ag|AgCl(sat.),KCl||
AgCl(s)+e- Ag(s)+Cl-
ɛ0AgCl/Ag = +0.199V (250C)
電解液 : KCl+1M AgNO3
銀線
KCl(s)
電位計組件示意圖
電壓表
內阻
外加電壓Vx
可變電阻
實驗步驟鹽橋製作
在 1N KCl (NH4NO3) 中加入3 % gelatin及 3 % agar加熱溶解
趁熱倒入
冰浴使之固化可加脫脂棉防止流出
單極電位的測定1N ZnSO4 30ml
飽和 NH4NO3 30ml
1N KCl
<1> 鋅片
Ag/AgCl 參考電極
紀錄溶液溫度
1N CuSO4 30ml
<2> 銅片
𝒁𝒏𝟐++𝟐𝒆−→𝒁𝒏 (𝒔)
𝑪𝒖𝟐++𝟐𝒆−→𝑪𝒖 (𝒔)
AgCl(s)+e- Ag(s)+Cl-
ɛ0AgCl/Ag = +0.199V
Ɛ0= -0.763V
Ɛ0= +0.337V
1N KCl
電池中兩種電解質電動式的測定
1N ZnSO4 30ml
鋅片
1N CuSO4 30ml
銅片
記錄溫度和電位差
e-
𝒁𝒏 (𝒔)→𝒁𝒏𝟐++𝟐𝒆− 𝑪𝒖𝟐++𝟐𝒆−→𝑪𝒖Zn| ZnSO4 | KCl(1N)| CuSO4|Cu
溶解度積的測定
<1> 飽和 AgCl 溶液<2> 飽和 AgBr 溶液<3> 飽和 AgI 溶液
銀片
0.1N AgNO3
1N KCl
Ag| AgCl(sat.)| KCl(1N) | AgNO3(0.1N)|Ag
𝑨𝒈++𝒆−→ 𝑨𝒈(𝒔)
𝒆𝒙 . 𝑨𝒈𝑪𝒍 (𝒔 )+𝒆−→𝑨𝒈 (𝒔 )+𝑪𝒍−𝑨𝒈(𝒔 )→ 𝑨𝒈++𝒆−
濃差電池電位差的測定
飽和 NH4NO3
AgNO3:1N/0.1N1N/0.01N0.1N/0.01N
高濃度者為正 ( 陰 ) 極記錄溫度及電位差
Ag|AgCl(sat.)| NH4NO3(sat.)(1N)|AgNO3(0.1N)|Ag
𝑨𝒈++𝒆−→ 𝑨𝒈(𝒔)𝑨𝒈(𝒔 )→ 𝑨𝒈++𝒆−
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t.htm
數據處理• 1. 由 1N ZnSO4 、 1N CuSO4 參考電極的電位,分別計
算鋅極與銅極的電位,並與理論值比較,求實驗誤差
• 2. 由測定所得到丹尼耳電池的電位 , 和計算值比較 ← 計算值
AgClCuZncell )(
CuZncell
• 3. 由飽和 AgCl 測得之電動勢計算 AgCl 溶解度積
將實驗值 ε 帶入式子得c 1(AgCl 溶液中 Ag+ 和
Cl- 的濃度 ) KSP=[Ag+][Cl- ] 將c 1 帶入得 KSP
11
1.0log0591.0
)(
)1.0(ln
cca
a
nF
RT
Ag
AgAgAg
• 4. 將濃差電池所得的電位差,分別與計算值比較
← 計算值
硝酸銀的平均活度係數表 (25oC)
11
22
1
2log0591.0
)(
)(ln
cf
cf
ca
ca
nF
RT
Ag
Ag
C濃度 1N 0.1N 0.05N 0.02N 0.01N 0.005Nf平均活度係數 0.58 0.733 0.795 0.858 0.892 0.922
問題討論• 1. 列舉本實驗可能產生誤差的原因和對策• 2. 請討論平均活度係數 f 及其意義
(f>1 , f=1 , f<1)
參考資料 :100-2 物理化學實驗Fundaments of Analytical Chemistry eighth edition Douglas A. Skoog標準還原電位 http://www.jesuitnola.org/upload/clark/refs/red_pot.htm 三用電表的構造 http://www.phy.ntnu.edu.tw/java/electronics/http://agriauto.bime.ntu.edu.tw/printed/agrijournal/no.12/12-02.PDFhttp://140.138.40.170/OptimalWeb/articlesystem/article/compressedfile/(2001-03-12)%20924%E5%9E%8B%E4%BD%8D%E7%A7%BB%E6%84%9F%E6%B8%AC%E5%99%A8%E4%BD%BF%E7%94%A8%E8%AA%AA%E6%98%8E.aspx?ArchID=215電池與電解 http://home.lsjh.tp.edu.tw/jjpong/podcast/elec_chem.pdf電池電動式的測定 http://www.d2zr.com/2010/12/927.html維基百科 http://wikipedia.tw/
The End …