1、微型伏打電池的設計與制作及Nernst方程的驗證學 院：專 業(yè)：學生 姓名：課程 名稱：指導 老師： 項目主要成員序號姓名學號項目分工組內(nèi)評分1pH、電動勢的測量2質(zhì)量計算及數(shù)據(jù)記錄3藥品測量及溶解4鋅銅電極的制備及處理5定容及電解液的配置綜述1 伏打電池的歷史與發(fā)展1.1伏打電池的歷史伏打電池是18世紀末由意大利科學家伏打以含食鹽水的濕抹布，夾在銀和鋅的圓形板中間，堆積成圓柱狀，制造出的一種電化學電池，它是伏打基于意大利解剖學家伽伐尼的青蛙實驗的基礎上構想并設計出的人類史上第一個電池，至今仍在人們的日常生活和工作中發(fā)揮著重要的作用。意大利波洛尼亞大學的解剖學教授伽伐尼經(jīng)常利用電擊研究生物反應

2、。1780年秋天，他無意間發(fā)現(xiàn)，即使在沒通電源的情況下，剝下來的青蛙腿也會發(fā)生痙攣的現(xiàn)象。后來經(jīng)過10年的研究，在1791年終于發(fā)表成果。他一直認為這是一種由動物本身的生理現(xiàn)象所產(chǎn)生的電，稱為動物電，因此開發(fā)了一門新的科學“電生理學”的研究。同時也帶動了電流研究的開始，促使電池的發(fā)明。意大利帕維亞大學的物理學教授伏打，反復重做伽伐尼的實驗，仔細觀察后發(fā)現(xiàn)電并不是發(fā)生于動物組織內(nèi)，而是由于金屬或是木炭的組合而產(chǎn)生的。于是伏打完全不使用動物的組織，僅用不同金屬相接觸，使用萊頓瓶及金箔檢電器進行實驗，發(fā)現(xiàn)在接觸面上會產(chǎn)生電壓。這種裝置可以同時用不同的幾種金屬提高實驗效果，但是總無法產(chǎn)生連續(xù)不斷的電流

3、。伏打同時注意到伽伐尼的實驗中也是使用不同的金屬，而實驗中的青蛙腿可以看作一種潮濕的物質(zhì)，所以就使用能夠導電的鹽水液體來代替動物組織實驗，終于發(fā)現(xiàn)了電池的原理，做出了著名的伏打電堆與伏打電池。伏打電堆是由幾組圓板堆積而成，每一組圓板包括兩種不同的金屬板。所有的圓板之間夾放著幾張鹽水泡過的布，潮濕的布具有導電的功能。伏打進一步試驗不同金屬所產(chǎn)生的電動勢效果。同時他也試過不同的導電液，后來就用硫酸液代替鹽水。至于電堆的原理，伏打則認為是由于金屬接觸的機械原因所導致的，一直到后來赫爾姆霍茲才指出這是錯誤的，認為這是化學作用所引起的。1800年伏打將十幾年研究成果，寫成一篇論文論不同金屬材料接觸所激發(fā)

4、的電，寄給英國皇家學會，不幸受到當時皇家學會負責論文工作的一位秘書尼克爾遜有意的擱置。后來伏打以自己的名義發(fā)表，終于使尼克爾遜的竊取行為遭受學術界的唾棄。當時的法國皇帝拿破侖平素喜歡學者，1800年11月20日在巴黎召見伏打，當面觀看實驗后頓覺感動，立即命令法國學者成立專門的委員會，進行大規(guī)模的相關實驗。同時也頒發(fā)6000法郎的獎金和勛章給伏打，發(fā)行了紀念金幣，而伏打也被作為電壓的單位，直到現(xiàn)在我們還在使用。圖 2. 伏打電池示意圖圖1. 伏打制造的伏打電池1836年，英國的丹尼爾對“伏打電堆”進行了改良。他使用稀硫酸作電解液，解決了電池極化問題，制造出第一個不極化，能保持平衡電流的鋅銅電池，

5、又稱“丹尼爾電池”。此后，又陸續(xù)有去極化效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等問世。1860年，法國的普朗泰發(fā)明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨特之處是，當電池使用一段使電壓下降時，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升。因為這種電池能充電，可以反復使用，所以稱它為“蓄電池”。在1860年，法國的雷克蘭士還發(fā)明了世界廣受使用的電池（碳鋅電池）的前身。它的負極是鋅和汞的合金棒，而它的正極是以一個多孔的杯子盛裝著碾碎的二氧化錳和碳的混合物。雷克蘭士制造的電池雖然簡陋但卻便宜，所以一直到1880年才被改進的“干電池”取代。直到現(xiàn)在，我們用的干電池就是經(jīng)過改良后的伏打電池。干電池中用氯化銨的糊狀物代替

6、了鹽水，用石墨棒代替了銅板作為電池的正極，而外殼仍然用鋅皮作為電池的負極。19世紀90年代末， Waldmar Jungner 發(fā)明鎳鎘電池，1910年可充電的鐵鎳電池商業(yè)化生產(chǎn)。20世紀70年代初，首先研制成功高壓氫鎳電池。鋰離子電池是在鋰電池的基礎上發(fā)展起來的，日本索尼公司于20世紀80年代開始研究鋰離子電池，90年代得到迅速發(fā)展和應用。伏打電堆（電池）的發(fā)明，提供了產(chǎn)生恒定電流的電源化學電源，使人們有可能從各個方面研究電流的各種效應。從此，電學進入了一個飛速發(fā)展的時期電流和電磁效應的新時期。1.2伏打電池的發(fā)展現(xiàn)狀隨著信息技術的發(fā)展，通訊技術產(chǎn)品開發(fā)的日新月異，高能化學電源成為電子產(chǎn)品的

7、原動力。電子技術、移動通訊事業(yè)的進步推動了電池產(chǎn)業(yè)和技術的高速發(fā)展，金屬氫化物鎳電池、鋰電池等新型蓄電池系列不斷商品化。電動車的發(fā)展促進了鋅空氣、鋅鎳、燃料等系列取得突破性進展?？茖W技術的發(fā)展加速了各種新型電極材料的應用研究與開發(fā)，各種新型化學電源不斷涌現(xiàn)。近的一、二十年來，隨著電子技術飛速發(fā)展與日趨成熟，人們對鶯量輕、能量高、適應性強的電源提出了新的要求，而應用金屬鋰提供能量之源的鋰電池逐漸成為滿足這種需求的理想高能能源。一次電池朝高容量、無水銀、堿性化方向發(fā)展，錳干電池漸趨萎縮，堿錳電池比例逐漸增大。二次電池中，鎳氫和鋰離子電池將逐漸擠占鎳鎘電池原有的市場份額，從而打破鎳鎘電池一統(tǒng)天下的格

8、局。當前,全球環(huán)境問題日益嚴峻,珍惜資源與愛護環(huán)境蔚然成風，綠色化學已經(jīng)成為國際化學研究的前沿。電池行業(yè)也與時俱進，向綠色產(chǎn)品看齊。鋅錳電池中去汞、代汞獲得了成功，把曾經(jīng)一度廣泛使用的Zn/HgO電池基本停止了生產(chǎn)；盡管Cd/ Ni電池的技術不斷成熟，卻開發(fā)了取代它的MH/ Ni電池；隨后出現(xiàn)的燃料電池和鋰離子電池有望成為綠色電池的佼佼者?；瘜W電源工業(yè)所需的有色金屬和重金屬，如鋅、鎳、鎘、鉛、銀等資源均不豐富，隨著工業(yè)騰飛之后，勢必造成供不應求。電池行業(yè)必須打開思路, 尋找新途徑。鋁是地殼中最豐富的金屬元素，也是金屬中最廉價的，而且有較高的安時容量。由于其它原因，對鋁的研究未能商品化。因此，對

9、鋁的化學電源的研究開發(fā)，蘊含誘人的前景與挑戰(zhàn)?？傊?，由于電子技術、通訊事業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展及國際上對環(huán)境和資源保護的日益重視,促使化學電源產(chǎn)品向高容量、高性能、低消耗、無公害、體積小和重量輕的方向發(fā)展。小型二次高能電池朝著這個方向飛速前進，將成為21 世紀世界科技中一顆璀璨的明珠。摘要通過對銅鋅原電池的設計與制作，揭示了銅鋅原電池的工作原理，研究了銅鋅原電池的電動勢及其影響因素；驗證了Nernst方程在銅鋅原電池理論電動勢上的計算應用；同時驗證并分析了電解液的PH值、沉淀的生成以及配合物的生成對銅鋅原電池的電動勢及Nernst方程的影響。1 研究背景電化學是研究電能與化學能相互轉化關系的學

10、科，在電化學有關計算中，離不開利用Nernst方程對可逆電池電動勢的計算。同時化學電池在當代生活中扮演著一種不可或缺的角色，它利用氧化還原反應即電子轉移將化學能轉化為電能。現(xiàn)在利用原電池原理制成多種電池在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學研究以及日常生活方面都有廣泛的用途。在銅鋅原電池中，通過鹽橋將ZnSO4溶液和CuSO4溶液連接起來，構成離子移動的電路，兩個電極反應在彼此隔離的條件下分別進行，保障兩個半電池中的電子能持續(xù)通過外電路轉移，使裝置持續(xù)產(chǎn)生比較穩(wěn)定的電流，從而清楚地揭示出電池中發(fā)生的化學反應。通過在不同的試驗條件下，對銅鋅原電池的電動勢的測定，可以揭示電解液的PH值、沉淀的生成以及配合物的生成對銅

11、鋅原電池的電動勢及Nernst方程的影響。因此通過本次微型伏打電極的設計、制作與研究，可以加深對原電池原理、Nernst方程等電化學理論的認識和理解。2 實驗部分2.1實驗試劑氯化銅（CuCl2）、氯化鋅（ZnCl2）、鹽酸（HCl)、硫化鈉（Na2S）、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA）2.2實驗儀器萬用表、PH試紙、50ml容量瓶*2、50ml燒杯*2、分析天平、玻璃棒、吸量管、洗瓶、吸耳球2.3實驗方法2.3.1伏打電池的制作1.制備電極，用剪刀剪取長寬各為1cm的銅片和鋅片，并留取長約5cm的尾巴充當導線，然后用膠布封住一面和尾巴，確保電極面積為1cm²，并用砂紙打磨電極裸露面。2

12、.配制濃度均為0.5mol/L的氯化銅溶液和氯化鋅溶液。用電子天平稱取3.400g的氯化鋅、3.375g的氯化銅。將稱好的藥品分別置于燒杯中溶解，然后用玻璃棒引流至50mL的容量瓶中定容。氯化鋅溶解前滴加8滴鹽酸抑制其水解。3.將氯化銅和氯化鋅溶液分放在兩個燒杯中，鋅電極插在氯化鋅溶液中，銅電極插在氯化銅溶液中，兩個燒杯中間用鹽橋連接，一個伏打電池就制作好了。2.3.2電動勢的計算與測量1. 計算理論電動勢根據(jù)nernst方程Cu/Cu2+=Cu/Cu2+0-RT2Fln1c(Cu2+)Zu/Zu2+=Zu/Zu2+0-RT2Fln1c(Zu2+)求得，E理論=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=

13、Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)=0.337-0.763=1.100V2.測定實際電動勢將電極連在萬用表的兩個電筆上，并調(diào)節(jié)萬用表到2V量程的電壓檔，然后迅速將兩電極分別插入對應離子電解液中，同時記錄萬用表上的穩(wěn)定示數(shù)。2.3.3 PH值對電動勢的影響1.配置PH分別為2、3、4、5的0.5mol/L氯化鋅溶液和PH分別為1、2、3的0.5mol/L氯化銅溶液。2.將以上不同酸度的氯化鋅溶液和氯化銅溶液按控制唯一變量的方式兩兩組成原電池。3.計算理論電動勢并測量實際電動勢并做好記錄。2.3.4沉淀的生成對電動勢的影響1.配置100ml濃度均為0.5m

14、ol/L的氯化銅溶液和氯化鋅溶液備用。2.配置濃度為0.5mol/L的硫化鈉溶液。3.按下表配比配制銅極的電解液。序號0.5mol/L的氯化銅/ml蒸餾水/ml0.5mol/L的硫化鈉/ml13046230283300104.計算理論電動勢并測量實際電動勢并做好記錄。2.3.5配位物的生成對電動勢的影響 1.配置100ml濃度均為0.5mol/L的氯化銅溶液和氯化鋅溶液備用。 2.配置濃度為0.1mol/L的EDTA溶液。 3.按下表配比配制銅極的電解液。序號0.5mol/L的氯化銅/ml蒸餾水/ml0.1mol/L的EDTA溶液/ml13046230283300104.計算理論電動勢并測量實

15、際電動勢并做好記錄。3.結果與討論3.1實驗數(shù)據(jù)記錄3.1.1電動勢的測量數(shù)據(jù)氯化鋅溶液mol/L氯化銅溶液mol/L實測電壓/V理論電壓/V相對誤差0.50.51.0241.100-6.00%計算過程如下：E計算=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)=0.337-0.763=1.100V E測量=1.024V誤差%=( E測量-E計算)/ E計算×100%=-6.00%3.1.2 PH對電動勢的影響數(shù)據(jù)記錄氯化鋅溶液PH氯化鋅溶液mol/L氯化銅溶液PH氯化銅溶液mol/L實測電壓/V理論電壓/V相對誤差20.

16、530.51.0151.100-7.73%30.530.51.0201.100-7.27%40.530.51.0341.100-6.00%50.510.51.0641.100-3.27%50.520.51.0451.100-5.00%50.530.51.0341.100-6.00%計算過程如下：由于Zn(OH)2是弱電解質(zhì)，不易溶于水，故鋅離子會在水溶液中發(fā)生水解。實驗時，向氯化鋅溶液中加入鹽酸，調(diào)整其PH值，顯然隨著溶液PH值的減小，H+濃度不斷增加，從而抑制了鋅離子的水解，則由Nernst方程分析可得，隨著鋅離子濃度的增加，電動勢應該減小。同理可得隨著PH值的減小，銅離子濃度增加，電動勢增

17、大。由于在實驗過程中，并未發(fā)現(xiàn)有明顯的水解沉淀現(xiàn)象，為了簡化處理，在誤差允許范圍內(nèi)，計算理論電動勢時我選擇仍以初始濃度為準。以第一組數(shù)據(jù)為例。E計算=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)=0.337-0.763=1.100V E測量=1.015V誤差%=( E測量-E計算)/ E計算×100%=1.015-1.1001.100×100%=-7.73%3.1.3沉淀的生成對電動勢的影響數(shù)據(jù)記錄序號0.5mol/L的氯化銅/ml蒸餾水/ml0.5mol/L的硫化鈉/ml實測電壓/V理論電壓/V相對誤差130

18、461.0581.093-3.20%230281.0371.092-5.04%3300100.9911.091-9.17%計算過程如下：以第一組數(shù)據(jù)為例。n硫化鈉=0.5×6×10-3=0.003moln銅離子=0.5×30×10-3-n硫化鈉=0.015-0.003=0.012mol則c銅離子=n銅離子V=0.0120.04=0.3molLE計算=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)=0.337-0.763-8.314×2982×96500ln0.50.3=1.

19、093V E測量=1.058V誤差%=( E測量-E計算)/ E計算×100%=1.058-1.0931.093×100%=-3.20%3.1.4配合物的生成對電動勢的影響數(shù)據(jù)記錄序號0.5mol/L的氯化銅/ml蒸餾水/ml0.1mol/L EDTA溶液/ml實測電壓/V理論電壓/V相對誤差130461.1301.0963.10%230281.0441.096-4.74%3300101.0271.095-6.21%計算過程如下：以第一組數(shù)據(jù)為例nEDTA=0.1×6×10-3=0.0006moln銅離子=0.5×30×10-3-nE

20、DTA=0.015-0.0006=0.0144mol則c銅離子=n銅離子V=0.01440.04=0.36molLE計算=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)=0.337-0.763-8.314×2982×96500ln0.50.36=1.096V E測量=1.130V誤差%=( E測量-E計算)/ E計算×100%=1.130-1.0961.096×100%=3.10%3.2實驗數(shù)據(jù)分析3.2.1 PH對電動勢的影響數(shù)據(jù)分析原電池電動勢隨溶液PH值變化示意圖（1）氯化鋅溶液PH實測

21、電壓/V如圖所示，隨著氯化鋅溶液PH值的升高，原電池的電動勢不斷升高。由于Zn(OH)2是弱電解質(zhì)，不易溶于水，故鋅離子會在水溶液中發(fā)生水解。實驗時，向氯化鋅溶液中加入鹽酸，調(diào)整其PH值，顯然隨著溶液PH值的增大，H+濃度不斷減小，鋅離子的水解程度變大，濃度降低，則由Nernst方程E=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)分析可得，隨著溶液PH值增大，鋅離子濃度降低，原電池電動勢增大。原電池電動勢隨溶液PH值變化示意圖（2）實測電壓/V氯化銅溶液PH如圖所示，隨著氯化銅溶液PH值的升高，原電池的電動勢不斷降低。由于Cu(O

22、H)2是弱堿鹽，難溶于水，故Cu2+會在水溶液中發(fā)生水解。實驗時，向氯化銅溶液中加入鹽酸，調(diào)整其PH值，顯然隨著溶液PH值的增大，H+濃度不斷減小，Cu2+的水解程度變大，濃度降低，則由Nernst方程E=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)分析可得，隨著溶液PH值增大，Cu2+濃度降低，原電池電動勢減小。3.2.2沉淀對電動勢的影響數(shù)據(jù)分析硫化鈉溶液體積/L沉淀對電動勢影響的變化示意圖實測電壓/V如圖所示，隨著加入的硫化鈉溶液體積不斷增多，原電池的電動勢不斷降低。在氯化銅溶液中加入硫化鈉溶液后，銅離子與硫離子發(fā)生反應，生

23、成硫化銅沉淀，隨著加入硫化鈉溶液體積的增多，溶液中剩余的銅離子不斷減少。則由Nernst方程E=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)分析可得，隨著加入的硫化鈉溶液體積增大，Cu2+濃度不斷降低，原電池電動勢不斷減小。3.2.3配合物的生成對電動勢的影響數(shù)據(jù)分析EDTA溶液體積/L實測電壓/V配合物的生成對電動勢影響的變化示意圖如圖所示，隨著加入的EDTA溶液體積不斷增多，原電池的電動勢總體呈現(xiàn)降低的趨勢。在氯化銅溶液中加入EDTA溶液后，銅離子與EDTA發(fā)生配位反應，生成銅的配合物，隨著加入EDTA溶液體積的增多，溶液中剩

24、余的銅離子隨著反應進行不斷減少。則由Nernst方程E=Cu/Cu2+-Zn/Zn2+=Cu/Cu2+0-Zn/Zn2+0-RT2Flnc(Zn2+)c(Cu2+)分析可得，隨著加入EDTA溶液體積的增加，Cu2+濃度不斷降低，原電池電動勢不斷降低。結論（1）、銅鋅原電池的實際測量的電動勢與通過Nernst方程計算出的銅鋅原電池的理論電動勢在數(shù)值上相差不大，說明在銅鋅原電池上發(fā)生的是可逆電極反應，其電極電勢可以運用Nernst方程進行計算。（2）、在不同的PH值下，銅鋅原電池有著不同的電動勢，在鋅電極一側隨著氯化鋅溶液PH值的升高，原電池的電動勢不斷升高；而在銅電極一側隨著氯化銅溶液PH值的升高，原電池的電動勢不斷降低。（3）、沉淀的生成對銅鋅原電池的電動勢存在影響，隨著銅電極一側沉淀生成的增多，原電池的電動勢不斷降低。（4）、銅鋅原電池的電動勢受配位物生成的影響，隨著銅電極一側配位物生成的增加，原電池的電動勢不斷降低。誤差分析（1）、在實驗操作過程中，萬用表測量的電動勢不是原電池的電動勢，而是路端電壓，所以和計