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) • 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(PotentialDifference) • 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(ElectromotiveForce)

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(IRdrop) 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(Poggendroffcompensationprinciple)

類似電位計功能 D

單極電極的電位 • 以標準電極作為參考，選用標準氫電極(StandardHydrogenElectrode)，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(SecondaryReferenceElectrode) • 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-ε25oC=0.4030V Cu電極：還原反應Cu²+(a=1)+2e-Cu(s)ε25oC=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+……

電動勢計算溶解度積

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-]

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)

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)：

藥品

配藥

儀器裝置 電位計電導線金屬片:銀、鋅、銅各一 Ag/AgCl參考電極溫度計鹽橋U型玻璃管脫脂棉砂紙燒杯(50ml *4、250ml *2)

標準氫電極 Pt,H2(p=1atm)|[H+]|| 2H+(aq)+2e- H2(g)

Ag/AgCl參考電極 銀線 AgCl(s)+e-Ag(s)+Cl- ɛ0AgCl/Ag = +0.199V (250C) Ag|AgCl(sat.),KCl|| 電解液: KCl+1M AgNO3 KCl(s)

電位計組件示意圖

可變電阻 外加電壓 Vx 電壓表內阻

實驗步驟 鹽橋製作趁熱倒入在1N KCl (NH4NO3)中加入3％gelatin 及3％ agar 加熱溶解可加脫脂棉防止流出冰浴使之固化

單極電位的測定 <1> 鋅片 1NZnSO430ml AgCl(s)+e-Ag(s)+Cl- ɛ0AgCl/Ag = +0.199V Ɛ0= -0.763V 1NKCl <2> 銅片 1NCuSO430ml 飽和NH4NO3 30ml Ag/AgCl參考電極 Ɛ0= +0.337V 紀錄溶液溫度

電池中兩種電解質電動式的測定 e- 銅片鋅片 1NKCl 1NCuSO430ml 1NZnSO430ml Zn| ZnSO4 | KCl(1N)| CuSO4|Cu 記錄溫度和電位差

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 1N KCl 0.1NAgNO3 Ag| AgCl(sat.)| KCl(1N) | AgNO3(0.1N)|Ag

濃差電池電位差的測定 AgNO3: 1N/0.1N 1N/0.01N 0.1N/0.01N 高濃度者為正(陰)極飽和NH4NO3 記錄溫度及電位差 Ag|AgCl(sat.)| NH4NO3(sat.)(1N)|AgNO3(0.1N)|Ag

Standard Reduction Potentials : http://www.jesuitnola.org/upload/clark/refs/red_pot.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

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ｃ1(AgCl溶液中Ag+和Cl-的濃度) KSP=[Ag+][Cl-] 將ｃ1帶入得KSP

4.將濃差電池所得的電位差，分別與計算值比較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)

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.PDF http://140.138.40.170/OptimalWeb/articlesystem/article/compressedfile/ (2001-03-12)%20924%E5%9E%8B%E4%BD%8D%E7%A7%BB%E6%84%9F%E 6%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 …

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