伏打电池的设计及能斯特方程的验证.docx
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伏打电池的设计及能斯特方程的验证
综述
伏打电池的发明归功于两位意大利科学家。
一位是解剖学家和医学教授伽伐尔，一位是物理学家和化学家伏打。
1780，伽伐尼在一次做青蛙解剖时偶然发现，一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺激。
伽伐尼立即重复了这个实验，又观察到了同样的现象。
起初他以为蛙腿发生抽搐是“大气电”作用的结果。
后来他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银接在一起，而把另外两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不停的屈伸抽动；如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会发生这样的现象。
作为解剖学家和医学家的伽伐尼脑子里总是想着肌肉和神经等，他猜想这是由于动物体内存在“动物电”，伽伐尼于1789年将此实验结果写成论文《关于电对肌肉运动的作用》，并于1791年公布于学术界。
伽伐尔的实验使人们注意到运动电荷产生的现象。
意大利物理学家伏打和大家一样感到十分振奋，但他认为“动物电”的说法值得进一步研究，拒绝人云亦云。
伏打把注意点主要集中在那两根金属上，而不是青蛙的神经。
他在之前就对电学有着深刻的研究，对于伽伐尔发现的蛙腿抽搐现象，他想这可能与电有关，但是他认为青蛙的肌肉和神经中是不存在电的，他推想电的流动可能是由两种不同的金属相互接触产生的，与金属是否接触动物神经无关。
伏打用自己设计的精密验电器，对各种金属进行了许多实验，这些实验证明，只要在两种金属片间隔以用盐水或碱水浸泡过的（甚至只要是湿的）硬纸、麻布、皮革或其他海绵状的物质，并用金属线把两个金属片连接起来，不管有没有青蛙的肌肉，都会有电流通过。
这就说明电并不是从青蛙的组织中产生的，蛙腿的作用只不过是相当于一个非常灵敏的验电器而已。
在1796年的一封信中，伏打把金属（以及黄铁矿等某些矿石和木炭称为第一类导体或干导体，把酸、碱、盐等的溶液称为第二类导体或湿导体。
他指出：
“把第一类导体与第二类导体相接触，就会引起电的扰动，产生电运动。
至于这个现象的原因，目前还不清楚，只能认为是一般的特性”。
随后伏打用了三年的时间，把各种金属两两搭配进行实验，研究两种金属接触产生电的现象。
他发现，一种金属与某一种金属接触是带正电，它与另一种金属接触是则可能带负电。
伏打以大量的实验为基础，发现了著名的伏打序列。
基于之前的研究，伏打将一块铜片和一块锌片之间夹住用盐水、酸溶液或碱溶液浸透的纸片，然后，分别在铜片和锌片上连接导线，此刻铜片上带正电，锌片上带负电，构成了伏打电池．1800年，伏打把若干个电池串联组成电池组，
又叫伏打电堆（如右图）．伏打电堆能产生比较强而稳定的持续电流，为人们从对静电的研究转入对动电的研究创造了物质条件，导致了电化学、电磁联系等一系列重大的科学发现，加深了人们对光、热、电磁、化学变化之间的联系。
伏打电池的发现还开辟了电力应用的广阔道路，由于它的诞生，19世纪的第一年成了电气时代文明生活的开端。
伏打电堆实际上是一种化学电池．它把化学能直接转化成电能。
一般伏打电池是把铜板和锌板浸入硫酸溶液里，在反应过程中．铜板上集聚了大量正电荷．成为电池正极：
锌板上集聚了大量负电荷．成为电池的负极。
用导线把两块金属板连接起来，电路中就产生电流。
不过伏打电堆也有缺点，即电池不使用时，锌片仍然和酸反应，而且化学反应产生的氢气泡蒙住锌片，使电压下降。
摘要
本实验主要内容是微型伏打电池的设计与制作及Nernst方程的验证。
我们用铜锌原电池来验证PH，沉淀剂，配合物的生成对电动势的影响。
文中主要叙述了伏打电池的制作过程以及Nernst方程的验证的方法并对实验结果进行了数据分析。
1.研究背景
随着电化学原理课程的开展，nernst方程在电极电势的计算中体现出了非常重要的地位。
而如何深刻的理解nernst方程并学会对其的应用更是重中之重。
虽然伏打电池是19世纪末的发明，如今化学电池已经有了突飞猛进的发展，但是把伏打电池的设计与制作用在教学中仍不显得过时，而且开设此项目可以让我们亲身参与到nernst方程的应用并培养我们将理论知识与实际结合的能力，同时还可以培养我们自主设计实验的能力。
2.实验部分
2.1实验试剂
氯化铜（
）、氯化锌（
）、盐酸（
）、硫化钠（
）、乙二胺四乙酸二钠（
）
2.2实验仪器
万用表、PH试纸、50ml容量瓶*2、50ml烧杯*2、分析天平、玻璃棒、吸量管
2.3实验方法
2.3.1伏打电池的制作
1.制备电极，用剪刀剪取长宽各为1cm的铜片和锌片，并留取长约5cm的尾巴充当导线，然后用胶布封住一面和尾巴，确保电极面积为1cm²，并用砂纸打磨电极裸露面。
2.配制浓度均为0.5mol/L的氯化铜和氯化锌溶液。
用电子天平称取3.400g的氯化锌、3.375g的氯化铜。
将称好的药品分别置于烧杯中溶解，然后用玻璃棒引流至50mL的容量瓶中定容。
氯化锌溶解前滴加8滴盐酸抑制其水解。
3.将氯化铜和氯化锌溶液分放在两个烧杯中，锌电极插在氯化锌溶液中，铜电极插在氯化铜溶液中，两个烧杯中间用盐桥连接，一个伏打电池就制作好了。
2.3.2电动势的计算与测量
1.计算理论电动势
根据nernst方程
，得
2.测定实际电动势
将电极连在万用表的两个电笔上，并调节万用表到2V量程的电压档，然后迅速将两电极分别插入对应离子电解液中，同时记录万用表上的最大示数。
2.3.3PH对电动势的影响
1.配制PH分别为2、3、4、5的0.5mol/L氯化锌和PH分别为1、2、3的0.5mol/L氯铜溶液
2.将以上不同酸度的氯化锌和氯化铜按控制唯一变量的方式两两组成原电池。
3.计算理论电动势并测量实际电动势并做好记录
2.3.4沉淀对电动势的影响
1.配制100m浓度均为0.5mol/L的氯化铜和氯化锌溶液备用
2.配制浓度为0.5mol/L的硫化钠溶液
3.按表-1配比配制铜极的电解液
表-1
序号
0.5mol/L的氯化铜/ml
蒸馏水/ml
0.5mol/L的硫化钠/ml
1
30
4
6
2
30
2
8
3
30
0
10
4.计算理论电动势并测量实际电动势并做好记录
2.3.5配位剂对电动势的影响
1.配制100m浓度均为0.5mol/L的氯化铜和氯化锌溶液备用
2.配制浓度为0.1mol/L的EDTA溶液
3.按表-2配比配制铜极的电解液
表-2
序号
0.5mol/L的氯化铜/ml
蒸馏水/ml
0.1mol/L的EDTA溶液/ml
1
30
4
6
2
30
2
8
3
30
0
10
3.结果与讨论
3.1电动势的计算与测量
根据nernst方程
，得
实验结果如表-3所示
表-3
氯化锌溶液mol/L
氯化铜溶液mol/L
实测电动势/V
理论电动势/V
相对误差
0.5
0.5
1.024
1.100
6.00%
3.2PH对电动势的影响
实验数据记录如表-4所示
表-4
氯化锌溶液PH
氯化锌溶液mol/L
氯化铜溶液PH
氯化铜溶液mol/L
实测电动势/V
理论电动势/V
相对误差
2
0.5
3
0.5
1.015
1.100
7.73%
3
0.5
3
0.5
1.020
1.100
7.27%
4
0.5
3
0.5
1.034
1.100
6.00%
5
0.5
1
0.5
1.064
1.100
3.27%
5
0.5
2
0.5
1.045
1.100
5.00%
5
0.5
3
0.5
1.034
1.100
6.00%
对实验结果数据作图如下图-1、图-2所示
图-1
图-2
结合表-4、图-1、图-2可以看出，当氯化铜PH不变时，随着氯化锌PH的增加，理论电动势不变，而实测电动势增加；当氯化锌PH不变时，随着氯化铜PH的增加，理论电动势不变，而实测电动势减小。
结论分析：
由于氯化锌和氯化铜均是强酸弱碱盐，易水解显酸性，而随着PH的增大，其水解程度均增大，致使铜离子、锌离子浓度减小。
而由电动势的nrnst方程可以看出电动势随着铜离子浓度的减小而减小，随着锌离子浓度的减小而增大，这一点与实际测得的电动势变化规律一样。
但是理论电动势并没有改变是因为在实验过程中并没有看到有沉淀生成，而且实验过程中是用PH试纸测定的溶液的酸度，并不能由此准确的确定氢离子的浓度，即无法算得准确的铜离子、锌离子浓度，故在计算理论电动势的时候我忽略了水解对离子浓度的影响。
3.3沉淀对电动势的影响
验证沉淀生成对电动势的影响，按照实验步骤要求，以第一组为例展示计算过程如下所示：
铜离子初始浓度：
加入沉淀剂后铜离子浓度：
理论电动势：
实际电动势由万用表测得，其他组计算过程相同，计算结果如表-5所示
表-5
序号
0.5mol/L的氯化铜/ml
蒸馏水/ml
0.5mol/L的硫化钠/ml
实测电动势/V
理论电动势/V
相对误差
1
30
4
6
1.058
1.093
3.20%
2
30
2
8
1.037
1.092
5.04%
3
30
0
10
0.991
1.091
9.17%
对实验结果数据作图如下图-3所示
图-3
可以看出随着氯化铜溶液中沉淀剂加入量的增加，电动势降低。
原因是随着沉淀剂的加入量增加，铜离子浓度减小，结合电动势的nernst方程可知电动势减小。
3.4配合物的生成对电动势的影响
验证配合物的生成对电动势的影响，按照实验步骤要求，以第一组为例展示计算过程如下所示：
铜离子初始浓度：
加入沉淀剂后铜离子浓度：
理论电动势：
实际电动势由万用表测得，其他组计算过程相同，计算结果如表-6所示
表-6
序号
0.5mol/L的氯化铜/ml
蒸馏水/ml
0.1mol/L的EDTA溶液/ml
实测电动势/V
理论电动势/V
相对误差
1
30
4
6
1.130
1.096
3.10%
2
30
2
8
1.044
1.096
4.74%
3
30
0
10
1.027
1.095
6.21%
对实验结果数据作图如下图-4所示
图-4
可以看出随着氯化铜溶液中配位剂加入量的增加，电动势降低。
原因是随着配位剂的加入量增加，铜离子浓度减小，结合电动势的nernst方程可知电动势减小。
结论
综合上面的结果可以看出，凡是可以使铜离子浓度增加的因素，均会使原电池电动势增大，凡是可以使锌离子浓度增加的因素，均会使原电池电动势降低。
将规律普遍化就是凡是可以让氧化态物质浓度增加的因素会使原电池电动势升高，凡是可以让还原态物质浓度增加的因素会使原电池电动势降低。
还可以看出绝大部分电动势实测值均小于理论值，这说明在实验过程中存在着误差，主要误差来源有如下几个方面：
1.氯化锌易吸水，称量后向烧杯中转移时不能全部转移，致使实际配得的浓度小于理论值。
2.万用表测实际电动势时数值有波动，使读数有误差。
3.溶液的配制时发生水解，致使致使实际配得的浓度小于理论浓度。
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