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第五届全国大学生化学实验邀请赛实验试卷


第五届全国大学生化学实验邀请赛








选手编号:

实验 C2
竞赛内容 分 数 得 重要说明: 分

电动势法测定化学反应的热力学函数
实验操作 50 实验报告 40 实验思考 10 总分 100

1、 本实验竞赛时间为 200 分钟 (以监考教师记录及考生签名为准) 每超时 10 分钟扣 5 分, 。 最多不得超过 30 分钟; 2、 请注意合理运筹时间, 如在等待反应进行过程中, 可进行后续试验准备或思考问答题等; 3、提供给每位选手的试剂、药品已足够,请注意试剂的用量。不必要的过量使用将被扣分; 4、请仔细操作,打烂玻璃器皿将被扣分。 5、实验完成后,请将所有玻璃仪器清洗干净,仪器设备归零。保持台面干净整洁,回复原 状。不按此项要求做将被扣分; 6、本实验提供坐标纸一张。

一、基本原理
1. 化学电池电动势和温度系数的测定 本实验采用补偿法(也称对消法)测量电池的平衡电动势,在待测电池上并联一个反 向的外加电势,调节回路使得通过待测电池的电流趋近于零,测量待测电池的电动势。改 变实验温度,测量不同温度下电池的电动势,求出电池电动势与温度的关系, 据此计算电池 反应的热力学函数。

2.电池反应热力学函数?rGm、?rHm、?rSm 的计算 恒温、恒压下,若系统只做电功,对于可逆电池反应其吉布斯自由能的变化值为:

? r Gm ? ? zFE
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(1)

第五届全国大学生化学实验邀请赛(实验试卷 C2)

广州 ? 2006.07

根据 Gibbs-Helmholtz 方程:
? r S m ? ?( ?? r Gm ?E ) p ? zF ( ) p ?T ?T

(2)

式中, (

?E ) p 称为电池的温度系数。 ?T

由吉布斯自由能的定义式,在恒温条件下有下式:

? r H m ? ? r Gm ? T? r Sm
对于电池: Ag?AgCl?KCl(a) ?Hg2Cl2?Hg

(3)

据以上公式,在恒温、恒压下,通过实验测定电池在不同温度下的电动势,则可求得 该电池反应在各温度下的?rGm、?rHm 和?rSm。

二、试剂与仪器
1. 试剂和电极 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 名称 镀银液 稀盐酸 稀硝酸 丙酮 饱和 KCl 溶液 KCl 去离子水 Ag 电极 Pt 片电极 饱和甘汞电极 纯度/规格 所用试剂均为 A.R. A.R. A.R. A.R. A.R. A.R. <10-6 S?cm-1 99.99% 99.99% 0.1mol?dm-3 1 mol?dm-3 浸泡 Pt 电极用 除电极油污 室温下配制 公用试剂 浓度 备注 已配制

2. 仪器 序号 1 2 3 仪器名称 恒电位仪 高电势电位差计 直流复射式检流计 型号 ZF-3 UJ25 AC15 数量 1 1 1 备注 制备 Ag/AgCl 电极用

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第五届全国大学生化学实验邀请赛(实验试卷 C2)

广州 ? 2006.07

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

饱和式韦斯顿标准电池 甲电池 数控超级低温恒温槽 1/10 温度计 夹层式恒温装置 高脚烧杯 100mL 烧杯 打孔胶塞 直尺 铁架台 自由夹 220, 400 目砂纸 吸水纸 洗瓶 生胶带 废液回收瓶

BC9 1.5V SDC-6

1 2 1 1 1 2 1 1 1 1 2 固定温度计和恒温装置 插入 Ag 和 Pt 电极用 测量研究体系温度 电动势测量系统恒温用 镀 Ag 和 AgCl 用

1 公用,可用于固定电极 公用

三、实验目的和实验步骤设计
根据以下实验目的和所给出的信息,利用提供的仪器、试剂,设计并完成本实验。 1. 实验目的 测量电池:Ag?AgCl?KCl(a) ?Hg2Cl2?Hg 在 20、25、30?C 下的电动势,得到电池电动 势与温度的关系, 据此计算 25?C 时电池反应的热力学函数?rGm、?rHm 和?rSm。

2. 相关知识 A.为了准确测量上述电池的电动势,需制备可逆 Ag/AgCl 电极。欲使电极具有良好的可 逆性,通常先在 Ag 表面沉积一层致密的新鲜 Ag 镀层,然后通过在盐酸溶液中阳极氧 化覆盖 AgCl 层。 B. 本实验提供已配制好的镀银液、稀 HCl 溶液(0.1 mol?dm-3) 、Ag 电极(? = 2 mm)和 Pt 电极。实验表明使用该镀银液时阴极电流密度宜控制为 2 mA?cm-2, 电镀宜 30 分钟, 而在阳极氧化覆盖 AgCl 层时,阳极电流密度宜为 2~3 mA?cm-2。 C. 在测量电动势时,使用饱和 KCl 溶液作电解质,该溶液对 AgCl 有一定的溶解作用。

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第五届全国大学生化学实验邀请赛(实验试卷 C2)

广州 ? 2006.07

D. 通常在电镀前,基底需进行预处理:除去金属氧化层、除油污和抛光,使电极表面光洁 平滑。本实验提供了金相砂纸和丙酮。对于 Pt 电极,使用前也需除去表面粘附的杂质, 本实验提供稀硝酸。 E. 为了准确测得电池电动势与温度的关系, 必须注意到 KCl 在水中的溶解度随温度的变化, 在实验设计时须对此加以考虑。 F. 按实验目的的要求设定温度,恒温后可记录系统的实际温度值并开始测量。 G. 按实验目的的要求,将饱和甘汞电极和制备的 Ag/AgCl 电极组成电池。请注意:电池 Ag?AgCl?KCl(a) ?Hg2Cl2?Hg 在 25?C 时的电动势小于 0.05V。 H. 对消法是测量电池电动势的常用技术手段,本实验提供了对消法测量电动势所需的仪器 设备,请根据你对对消法原理的理解和对相关仪器使用方法的掌握进行测量。 I. 标准电池的电动势与温度的关系由下式计算: Est/V = 1.01845 - 4.05× -5(T/K – 293.15) – 9.5× -7(T/K – 293.15)2 + 1× -8(T/K – 293.15)3 10 10 10 J. 本实验提供恒温装置如下图所示。

附图:电动势测量装置参考示意图

思考题(请将答案写在实验报告中)
试分析,若外电压大于或小于电池的平衡电动势时,实测的电池电动势对平衡电动势 产生何种偏差及其原因。

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