電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中要注意的幾個(gè)問題

李愛炳

(合肥師范學(xué)院物理與電子工程系,安徽合肥 230061)

電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中要注意的幾個(gè)問題

李愛炳

(合肥師范學(xué)院物理與電子工程系,安徽合肥 230061)

本文是作者在電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行了梳理,提出了完成該實(shí)驗(yàn)要注意的幾個(gè)問題。

電池電動(dòng)勢(shì);對(duì)消法;標(biāo)準(zhǔn)化;電極;鹽橋

電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定是電化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一,在該實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中,發(fā)現(xiàn)一部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果誤差較大,究其原因主要是實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題,因此要順利完成該實(shí)驗(yàn),筆者認(rèn)為關(guān)鍵要注意下面幾個(gè)問題。

1 工作電源的“標(biāo)準(zhǔn)化”

由實(shí)驗(yàn)方法可知,本實(shí)驗(yàn)采用的是對(duì)消法原理。之所以采用對(duì)消法,是由于測(cè)量可逆電池的電動(dòng)勢(shì)不能直接用伏特計(jì)來(lái)測(cè)量。因?yàn)殡姵嘏c伏特計(jì)相接后,整個(gè)線路便有電流通過,此時(shí)電池內(nèi)部由于存在內(nèi)電阻而產(chǎn)生某一電位降,并在電池兩極發(fā)生化學(xué)反應(yīng),溶液濃度發(fā)生變化,電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。所以要準(zhǔn)確測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì),只有在電流無(wú)限小的情況下進(jìn)行,所采用的對(duì)消法就是根據(jù)這個(gè)要求設(shè)計(jì)的。見下圖所示:(圖中:E—工作電源,ε1—標(biāo)準(zhǔn)電池,εx—工作電池)

圖1 對(duì)消法原理線路圖

然而,對(duì)消法測(cè)定原電池電動(dòng)勢(shì)首先要對(duì)工作電源進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)化”,這一步是非常重要的。如果“標(biāo)準(zhǔn)化”步驟出現(xiàn)問題,將直接影響到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。出現(xiàn)影響工作電源“標(biāo)準(zhǔn)化”可能會(huì)有兩種情況:

(1)標(biāo)準(zhǔn)電池本身出現(xiàn)的問題。由于標(biāo)準(zhǔn)電池的長(zhǎng)期使用或者使用、保管不當(dāng)造成標(biāo)準(zhǔn)電池性能發(fā)生變化,使得電池不能提供在實(shí)驗(yàn)溫度條件下的本應(yīng)提供的電動(dòng)勢(shì),從而導(dǎo)致影響對(duì)工作電源“標(biāo)準(zhǔn)化”的結(jié)果,也即工作電源經(jīng)“標(biāo)準(zhǔn)化”后,不能提供實(shí)驗(yàn)所需要的標(biāo)準(zhǔn)工作電流,從而導(dǎo)致影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果。

(2)實(shí)驗(yàn)操作不當(dāng)問題。本實(shí)驗(yàn)是采用“對(duì)消法”測(cè)定原電池電動(dòng)勢(shì)的,這種測(cè)定方法的明顯優(yōu)點(diǎn)就是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,電路中幾乎沒有電流通過或只是瞬間有極其微弱的電流通過,從而保證了原電池電動(dòng)勢(shì)不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的放電,而導(dǎo)致原電池電動(dòng)勢(shì)發(fā)生不穩(wěn)定,進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果出現(xiàn)誤差。然而,在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中,往往這一步出現(xiàn)的問題較多,由于是第一次,從而很難保證在“標(biāo)準(zhǔn)化”過程中,做到使電路中只有及其微小的電流瞬間通過。要不就是提供的工作電壓過大,使得兩個(gè)回路電流很難“對(duì)消”,造成標(biāo)準(zhǔn)電池工作時(shí)間過長(zhǎng)。要不就是長(zhǎng)時(shí)間開關(guān)處于接通狀態(tài),使得標(biāo)準(zhǔn)電池處于長(zhǎng)時(shí)間的放電之中,影響了標(biāo)準(zhǔn)電池電動(dòng)勢(shì)的穩(wěn)定。進(jìn)而使“標(biāo)準(zhǔn)化”過程的結(jié)果不標(biāo)準(zhǔn)。

2 電極的制備與處理

電極的制備按照實(shí)驗(yàn)要求是將鉑電極放在濃HNO3中浸泡15分鐘等方法,以去掉鉑金表面的污漬,保持金屬鉑片的光亮潔凈,然后用蒸餾水沖洗金屬鉑片,再放到0.1 mol·dm-3AgNO3(銀電極制作)溶液中進(jìn)行電鍍,電極制備裝備圖如下圖所示:

圖2 電極制備裝置圖

再按照實(shí)驗(yàn)要求,提供所需的電壓、電流進(jìn)行電鍍。20分鐘后將電極取出用蒸餾水沖洗干凈。對(duì)于鋅電極還要進(jìn)行汞齊化處理。汞齊化處理后改善了電極的表面狀況,使其粗糙度下降,成為光滑的平面電極,獲得重復(fù)性較好的電極電位。

然而,在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)常由于電極表面處理不凈,或電鍍時(shí)的電壓和電流過大以及電鍍時(shí)間的的不足,從而影響電極電鍍的質(zhì)量。

(1)電極在電鍍前處理不潔凈,將會(huì)導(dǎo)致電鍍效果不理想,使得電極鉑金表面所鍍金屬附著不牢固,甚至出現(xiàn)部分或大部分電鍍層金屬脫落。

(2)電鍍時(shí)的電壓和電流如果過高過大,將會(huì)導(dǎo)致在電鍍過程中,離子遷移過快,出現(xiàn)電鍍層不緊密,可能還會(huì)出現(xiàn)電鍍層含有氣泡,甚至有絮狀物出現(xiàn),使得制備的電極達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求。

(3)鋅電極的汞齊化處理不好,也會(huì)影響電極的質(zhì)量,從而影響實(shí)驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果。鋅電極的汞齊化處理主要是將電鍍后的鋅電極放到飽和的 Hg2(NO3)2溶液中,但是由于電極表面所鍍金屬較薄,因此汞齊化的時(shí)間要求非常短(2-3秒即可),汞齊化后需迅速用蒸餾水沖洗電極表面上的 Hg2(NO3)2。由于對(duì)時(shí)間的要求非常短,使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)很難掌握,往往造成汞齊化時(shí)間延長(zhǎng),電極表面大部分的鋅與 Hg2(NO3)2發(fā)生反應(yīng),影響了鋅電極的質(zhì)量。

3 鹽橋的制作

在鹽橋的制作中,要盡量避免或減少鹽橋中有氣泡存在,減少影響電動(dòng)勢(shì)測(cè)定的結(jié)果。一定要防止鹽橋中瓊脂——飽和溶液(KNO3或 KCl,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要確定)填充物出現(xiàn)斷裂,造成短路。

4 電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定

飽和甘汞電極內(nèi)的飽和 KCl溶液必須要充滿,而且電極管內(nèi)的飽和溶液中不能有氣泡存在,否則也會(huì)直接影響電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定結(jié)果,甚至?xí)斐啥搪?從而無(wú)法測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)值。同時(shí)還要注意甘汞電極不能長(zhǎng)時(shí)間放在被測(cè)液中,這樣會(huì)造成溶液被污染。

5 線路連接

整過實(shí)驗(yàn)的線路連接要注意正負(fù)極切不可接反,否則,將會(huì)造成兩個(gè)回路無(wú)法對(duì)消,同時(shí)也要注意連接線各接點(diǎn)要處于良好接觸狀態(tài),防止虛接,造成短路或接觸不良,影響實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)結(jié)果。

電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)是個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),只要在實(shí)驗(yàn)操作中按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求,認(rèn)真、規(guī)范操作,注意上述問題,可以說,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電池電動(dòng)勢(shì)的理論值是非常接近的,誤差不會(huì)超出允許范圍。因此,我們?cè)谠搶?shí)驗(yàn)的教學(xué)中要提醒學(xué)生樹立科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,認(rèn)真進(jìn)行每一步操作,認(rèn)真觀察和思考實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題,培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)技能。

[1] 東北師范大學(xué)等校編.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1989.5.

[2] 復(fù)旦大學(xué),等編.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)(第四版)[M].北京:高等教育出版社,1984.2.

Some Issues on the Measurement Battery Electromotive Force Expreiment

LI Ai-bing
(Department of Physics and Electronic Engineering,Hefei Normal University,Hefei230061,China)

This paper makes a detailed analysis of some issues arising from the battery experiment teaching of the measurement of electromotive force by students,and puts forward some suggestions.

battery electromotive force;offset method;standardization;electrode;salt-bridge

G642.0

A

1674-2273(2010)06-0048-02

2010-07-26

李愛炳,合肥師范學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。