范文一:测电池电动势与内阻之我见
测电池电动势与内阻之我见
发表时间:2012-8-15 来源:《中学课程辅导?教学研究》2012年第12期供稿 作者:刘国芳 [导读] 用等效电源法分析本实验的误差可以使学生加深理解测电源电动势和内阻的原理。
摘要:本文就测电池内阻与电动势的实验原理及误差分析阐述了笔者的想法与思路。 关键词:测电池内阻与电动势;电流表;电压表
有关人教版课本3-1《恒定电流》一章中,关于测电池内阻与电动势的实验原理及误差分析,笔者有不同的想法与思路与各位同仁共勉:
一、用电流表和电压表测量的外接法
该法由于电压表的分流造成了误差,且由于电压表的内阻较大,其分流极小,误差较小,这种方法测量值与真实值还是很接近的,是学生实验的首选。
误差分析如下:
虚线部分可等效为一个电源,电压表测的是等效电源的路端电压,电流表测的是等效电源的总电流,故该电路测的是等效电源的电动势和内阻。
根据等效电源知识有:
二、用电流表和电压表测量的内接法
该法由于电流表的分压造成了系统误差,且电流表的内阻与电池内阻是比较接近的,
一般情况下仅仅相差十个百分点,笔者认为该法应分三种情况对待。
误差分析如下:
虚线部分可等效为一个电源,电压表测的是等效电源的路端电压,电流表测的是等效电源的总电流,故该电路测的是等效电源的电动势和内阻。同理有:
该电路测得的电动势虽然准确,但内阻要分为三种情况讨论:
1. 若RA?r真,忽略RA的大小,该实验r测 〉r真;
2. 若RA与r真差不多或者RA〉r真,该实验不能测量内阻;
3. 若RA已知,r真=r测-RA ;
用等效电源法分析本实验的误差可以使学生加深理解测电源电动势和内阻的原理。高考要求的实验内容较多、实验方法也很多,我们可以通过掌握系统的实验方法和运用恰当的误差分析方法来理解、掌握实验内容,以提高实验题的得分。
附:等效电源法的解释:
情况1:把图A的电路等效为图B的电源:
情况2:把图C的电路等效为图D的电源:
三、用电压表与电阻箱测量U-R法
对于U-R法测定电池的电动势和内阻,其误差与I-U法中图1电路的误差类同。
该实验用图像法处理数据时要注意正确选择自变量与因变量。
原理如下:E=U+U/R r转化变为:1/U=r/E?1/R+1/E
要求作出1/U-1/R图线,此直线的斜率为电源电动势r/E,对应纵轴截距的绝对值1/E。
四、用电流表与电阻箱测量I-R法
对于I-R法测定电池的电动势和内阻,其误差与I-U法中图3电路的误差类同。
该实验用图像法处理数据时要注意正确选择自变量与因变量。
原理如下:E=I(R+r)转化变为:R=E?1/I-r
要求作出R-1/I图线,此直线的斜率为电源电动势E,对应纵轴截距的绝对值为电源的内阻r。
五、练习题
1.用电流表和电压表测1节干电池的电动势和内电阻,如下图所示给出了(a)、(b)两个供选用的电路图。
(1)为了较精确地测定电动势和内电阻,实验中应选用 电路。正确选用电路后,根据图(c)所示的器材,请用实线表示导线,将图(c)中的器材连成实验电路。实验时经测量得出的数据如下表,请在图(d)的方格纸上画出U-I图线,利用图线可求出电源电动势和内电阻分别为_____ 、______。(2)若不作出图线,只选用其中两组U和I的数据,利用公式E=U+Ir列方程求E和r,这样做可能得出误差很大,其中选第 组和第 组的数据,求得E和r误差最大。
答案:(1)b,1.46V,0.72?;(2)3;4
2.在测量电源的电动势和内阻的实验中,由于所用的电压表(视为理想电压表)的量程较小,某同学设计了如图所示的实物电路:
(1)试验时,应先将电阻箱的电阻调到____。(选填“最大值”、“最小值”或“任意值”
(2)改变电阻箱的阻值R,分别测出阻值 =10 的定值电阻两端的电压U,下列两组R的取值方案中,比较合理的方案是____。(选填1或2)
(3)根据实验数据描点,绘出的 图像是一条直线。若直线的斜率为k,在 坐标轴上的截距为b,则该电源的电动势E= _____,内阻r= ______ (用k、b和R0表示)。
答案:
作者单位:山西省洪洞县第六中学
邮政编码:031600
范文二:电池电动势的测定与应用
电池电动势的测定与应用
钱洁
中国科学技术大学地球化学和环境科学系 安徽合肥 230026
qj12345@mail.ustc.edu.cn
【摘要】 本实验通过制作铜电极、银电极、饱和硝酸钾-琼脂盐桥,组装成近
似可逆的电池:Cu(s)|CuCl2(0.1000mol?L-1)||AgNO3(0.1000mol?L-1)|Ag(s) 和 Ag(s)|AgCl(s)|KCl(0.1000mol?L-1)||AgNO3(0.1000mol?L-1)|Ag(s)电池。实验中使用电位差计,采用对消法测量两电池在不同条件下的电动势,利用Nernst(能斯特)方程得到AgCl的KKssss,以及根据Gibbs-Helmholtz(吉布斯-亥姆霍兹)方程求得电池
反应AAAA+(aaaa)+CCCC?(aaaa)=AAAACCCC(ss)的相应热力学函数?rrSSmm、?rrGGmm、?rrHHmm值。
Helmholtz方程
【关键词】 可逆电池电动势 Nernst方程 溶度积 热力学函数 Gibbs-
1.引言
化学电池是由两个“半电池”即正负电极放在相应的电解质溶液中组成的。由不同的这样的电极可以组成若干个原电池。在电池反应过程中正极上起还原反应,负极上起氧化反应,而电池反应是这两个电极反应的总和。其电动势为组成该电池的两个半电池的电极电位的代数和。若知道了一个半电池的电极电位,通过测量这个电池电动势就可算出另外一个半电池的电极电位。所谓电极电位,它的真实含义是金属电极与接触溶液之间的电位差。它的绝对值至今也无法从实验上进行测定。在电化学中,电极电位是以一电极为标准而求出其他电极的相对值。现在国际上采用的标准电极是标准氢电极,即在aaHH+=1mmmmCC?LL?1, ppHH+=100kPa时被氢气所饱和的铂黑电极,其在任何温度下的电极电位规定为0V,然后将其他待测的电极与其组成电池,这样测得电池的电动势即为被测电极的电极电位。由于氢电极使用起来比较麻烦,人们常把具有稳定电位的电极,如甘汞电极,Ag-AgCl电极作为第二级参比电极。
通过对电池电动势的测量可求算某些反应的?H,?S,?G等热力学函数,电解质的平均活度系数,难溶盐的溶度积和溶液的pH等物理化学参数。但用电动势的方法求如上数据时,必须是能够设计成一个可逆电池,该电池所构成的反应应该是所求的化学反应。
2.实验
2.1实验原理:
我们设计如下电池:Ag(s)|AgCl(s)|KCl(0.1000mol?L-1)||AgNO3(0.1000mol?L-1
)|Ag(s)。该电池的电极反应为: (?): Ag(s)+CCCC?(aaaa)→ AgCl(s)+ee? (+):AAAA+(aaaa)+ee?→ Ag(s)
电池总反应:CCCC?(aaaa)+AAAA+(aaaa)→AAAACCCC(ss)
=[?Ag+/Ag+
(1)利用Nernst方程求KKssss(AAAACCCC):
电池电动势:E=φφ右?φφ左
RTRT1
lnaAg+]?[?Agln] +/AgClnFnFaCl?
=E°?
RT1ln (6-1) nFaAg+aCl?
RT11
(该反应n=1),E°= (6-2) lnKspnFKsp
又因为?G°=-nFE°=?nRTln
整理后得(将(6-2)式代入(6-1)式):
RTRT1
+ElnlnaAg+?aCl?
nFKspnF
()
RTaAg+?aCl?RTγ±Ag+?CAg+?γ±Cl??CCl? ?2
lnln= =(C) (6-3) nFKspnFKsp
所以只要测得该电池的电动势就可根据上式求得AgCl的Ksp。 其中γγ±AAAA+CCAAAAAAOO3=0.1000 mol?L-1时,γγ±=0.734,CCKKCCCC=0.1000 mol?L-1时,γγ±=0.770。
为AgNO3溶液的平均活度系数,γγ±CCCC?为KCl溶液的平均活度系数。当 化学反应的热效应可以用量热计直接度量,也可以用电化学方法来测量。由于电池的电动势可以准确测量,所得的数据常常较热化学方法所得的可靠。
(2)由Gibbs-Helmholtz方程求热力学函数:
在恒温恒压条件下,可逆电池所做的电功是最大非体积功W′,而W′等于体系自由能的降低即为-?rGm,而根据热力学与电化学的关系,我们可得 ?rrGGmm=?nnnnnn (6-4) 由此可见利用对消法测定电池的电动势即可获得相应的电池反应的自由能的改变。式中的n是电池反应中得失电子的数目,F为法拉第常数。 根据Gibbs-Helmhotlz方程的积分形式:
??rGm?E
)=nF()P?rSm=?(
?TP?T (6-5)
由G=H-TS可得:
?rGm=?rHm-T?rSm (6-6) 将(6-4)式和(6-5)式代入(6-6)式可得:
?rHm=?nFE+nFT(
?E
)P (6-7) ?T
由实验可测得不同温度时的E值,以E对T作图,从曲线的斜率可求出任一
?E
温度下的()P值,根据(6-4)(6-5)(6-7)式可求出该反应的热力学函数?rGm 、
?T
?rSm、?rHm。
本实验测定和(1)中相同的Ag-AgCl电池的电动势,并由不同温度下电动势的测量求算该电池反应的热力学函数。
(3)对消法测电动势:
测量可逆电池的电动势不能直接用伏特计来测量。因为电池与伏特计相接后,整个线路便有电流通过,此时电池内部由于存在内电阻而产生某一电位降,并在电池两极发生化学反应,溶液浓度发生变化,电动势数据不稳定。所以要准确测定电池的电动势,只有在电流无限小的情况下进行,所采用的对消法就是根据这个要求设计的。
图6-1为对消法测量电池电动势的原理图。acba回路是由稳压电源、可变电阻、保护电阻和电位差计组成。
图6-1 对消法原理线路图
流过回路的电流为某一定值。在电位差计的滑线电阻上产生确定的电位降,稳压电源为工作电源,其输出电压必须大于待测电池的电动势。调节可变电阻利用标准电池εs校准。另一回路abGεa由待测电池εx(或εs)检流计G和电位差计组成,移动b点,当回路中无电流时,电池的电势等于a、b二点的电位降。
本实验中采用特制的电位差计,将仪器与电池串联,调节平衡指示为零即可测出电池的电动势。
2.2实验仪器:
本实验中用到的主要仪器如下表。
表6-1 实验主要仪器器材参数
仪器名称 型号(规格0) 数字式电子电位差计 EM-3D 超级恒温水水浴 HK-2A
电子天平 电流表 旋转式电阻箱 稳压直流电源
铜电极
银电极 Ag-AgCl参比电极 导线 半电池管 电磁炉 平底锅 锥形瓶 烧杯 量筒 试剂瓶 棕色试剂瓶
滴瓶 铁环 滴管 镊子 砂纸 CPA224S C30-mA ZX36型 HC-003 AC~DC
216 218 250mL 100mL,150mL
50mL 100mL~500mL 100mL~500mL
细砂、粗砂
生产厂家
南京南大万和科技有限公司 南京南大万和科技有限公司 赛多利斯科学仪器(北京)
有限公司
中华人民共和国上海第二仪
表厂
上海明光仪表厂 潮南区司马浦华诚电器厂
上海仪电科学仪器股份有限
公司(雷磁)
上海仪电科学仪器股份有限
公司(雷磁)
数量 1套 1套 1台 2个 2个 1套 1个 1个 1个 若干 3个 1台 1个 1个 若干 1个 若干 若干 1套 1个 2个 1个 若干
2.3实验试剂:
表6-2 实验主要试剂及其参数
实验中用到的主要试剂如下表。
试剂名称 硝酸钾(AR) 分子量 化学批号 生产厂家
101.10 20151216 国药集团化学试剂有限公司
琼脂粉,纯化(BR)
自来水、热水
稀硝酸 浓硝酸
铜电镀液 银电镀液 20150423
2.4实验步骤:
(1)银电极的制备:将银电极放在浓HNO3中稍微浸泡1~2min(可以略去),用细晶相砂纸打磨光亮,再用蒸馏水冲洗干净插入盛0.1 mol·dm-3AgNO3溶液的小烧杯中,按图6-2接好线路,调节可变电阻,使电流在3mA、直流稳压源电压控制在9V镀20分钟。取出后用蒸馏水冲洗,用滤纸吸干(冲洗以及吸干操作要以不破坏电极表面镀层为准),并迅速放入盛有0.1000MAgNO3溶液的半电池管中(如图6-3)
图6-2 电极制备装置图 图6-3 半电池管
1—电池 2—辅助电极 1—电极 2—盐桥插孔 3—被镀电极 4—镀银溶液 3—电解质溶液 4—玻璃管
(2)铜电极的制备:将铜电极放入稀硝酸中浸泡10min,用水冲洗干净并擦干,再将待镀阴极铜棒用细晶相砂纸打磨光亮,阳极铜棒用粗砂纸稍稍打磨除去铜绿即可,用蒸馏水冲洗干净后用滤纸擦干,插入盛有铜电镀液的试剂瓶中,按步骤1中的方式,控制电流在3mA、电压在12V镀20分钟。取出被镀电极后用蒸馏水冲洗,用滤纸吸干表面水后,放入0.1000M的CuSO4溶液的半电池管中。
(3)、盐桥的制备:为了消除液接电位,必须使用盐桥。用量筒量取约100ml的饱和KNO3溶液,倒入三角锥形瓶中;再往锥形瓶中加入少量的KNO3晶体使之处于饱和状态即可;在电子天平上称取约3g琼脂粉,倒入三角锥形瓶中,搅拌均匀;在锥形瓶上套上铁环,放入盛水的平底锅中加热,使琼脂粉溶解;同时,
将U型玻璃管洗净;加热一段时间后,手持U型玻璃管口向上,将玻璃管外壁在热水浴预热(防止热琼脂-KNO3饱和溶液在冷玻璃管中快速冷凝造成气泡断路);用滴管吸取热琼脂-KNO3饱和溶液缓慢滴入到热U型玻璃管中直至完全充满,不能有气泡!U形管朝上放置在小烧杯中自然冷却;冷却后的胶凝饱和溶液因体积收缩在管口呈现凹面,再滴上一滴热溶液,使管口呈凸面,晾干,以防止盐桥倒置在电极管中使用时在管口产生气泡。
(4)电池电动势的测量:
①组装电池:将半电池管用蒸馏水清洗干净,烘干,加入相应的半电池液,置于恒温槽中水浴,将上述制备的银电极与铜电极以及实验室提供的Ag-AgCl参比电极分别放入对应的半电池液中。
②校准电位差计:首先将电位差计面板上的模式拨至“内标”挡,调节面板上的电压旋钮使得电压为零,将电位差计两表笔短接,此时检流计示数应为0,若不为零按下“校准”按钮,此时即完成仪器自身零点校正。然后进行标准电池校正,将红黑表笔分别与标准电池的正负极相接,调节面板旋钮使得电动势值与给出的标准电池的电动势值相同,此时检流计的示数应为0,如不为零按下“校准”按钮,此时完成标准电池的校正,可以开始实验测量。
③测量待测电池电动势:将上述制备的银电极与制备好的铜电极组成电池,根据理论计算确定电极电位的高低与电极的正负,将其置于恒温槽中,将自制的饱和KNO3-琼脂盐桥横插在两半电池管的小口上,注意两半电池管中溶液一定要与盐桥底端相接,将恒温槽置于30.00℃,恒温10-15min后测量30.00℃时该电池的电动势,共测量三次。测量方法是,将面板上的模式拨至“测量”挡,调节面板上的7个电压旋钮,使平衡指示为0,此时的读数就是所测电池的电动势,断开电路并记录电压值。测量前可预估电压大小以尽快达到对消。
④将上述制备的银电极与实验室提供的Ag?AgCl|(CKCl=0.1000mol?LL?1)参比电极组成电池:Ag(s)|AgCl(s)|KCl(0.1000mol?L-1)||AgNO3(0.1000mol?L-1)|Ag(s)。根据理论计算确定电极电位的高低与电极的正负,将自制的饱和KNO3-琼脂盐桥横插在两半电池管的小口上,注意两半电池管中溶液一定要与盐桥底端相接。改变恒温槽温度,分别在30.00℃、35.00℃、40.00℃、45.00℃稳定温度下测量该电池的电动势,每个温度测三次。(注意温度要持续恒温5min后再测量。)
2.5实验结果与分析:
(1)Cu-Ag电池电动势计算:
实测值458.951mV,文献值为0.4236V,相对误差为:
nnrr1
=×100%=8.35%
(2)Ag-AgCl电池电动势计算:
实测值为nn′=490.027mmmm。文献值为0.4417V,相对误差为:
nnrr2=
0.4417mm
(3)利用电动势计算KKssss(AAAACCCC):
×100%=10.94%。
实测值为KKssss(AAAACCCC)=4.03×10?11,文献值为2.74×10?10,相对误差为:
nnrr3
=×100%=?85.3%
(4)Ag-AgCl电池热力学函数的计算:
计算结果下表。
表6-3 Ag-AgCl电池热力学函数的计算结果与相对误差
(5)讨论:
由于银电极损坏,备用电极不是新镀的,而且实验温度不在标准温度25℃,所有文献值都需要换算,因此整体误差比较大。?rHm的误差是很小的,其余电动势值、溶度积,热力学函数值误差都比较大。所测电动势整体偏大较多,AgCl的溶度积与文献值不在一个数量级上,?rSm的误差也是很大的。但是,E-T拟合直线相关系数大,线性性好。
2.6误差分析:
实验的主要误差有:
(1)理论因素:该反应利用对消法测量电池电动势,但化学反应极化不能通过对消法完全消除,存在误差;另外,使用盐桥不能完全消除液接电势;在计算过程中用25℃下平均离子活度代替离子活度带来的计算误差;实验温度不在标准温度下,文献值经过公式的近似计算得到,也存在误差;E-T曲线图数据点太少。
(2)仪器因素:银电极损坏,备用电极已经久置,带来很大的误差;电极打磨得不够光亮,导致镀铜不够均匀,制作的电极精度不能达到实验要求;电位差计
仪器示数不稳定;盐桥中有少量小气泡的影响;水浴温度不能持续稳定在设定温度,且恒温水浴温度本身就有误差。
(3)操作因素:实验未达到最终稳定状态就直接测定电动势,造成误差; (4)试剂因素:AgNO3溶液久置,浓度有变化,其余溶液浓度也无法确认与标签浓度是否相同。
2.7实验小结:
本实验总体比较简单,但是出现了几次意外,最终结果不是很好。制作盐桥时,操作不够迅速,手法不够熟练,以致制作盐桥花了很长时间,还麻烦了助教。进行实验时,开始电动势值与理论值偏差很大,经过检查发现是银电极损坏,最终是用了昨天用完的银电极进行实验,数据比较接近理论值,处理数据误差还是很大。做完实验,学会了了电位差计的使用以及盐桥的制作。由于水浴温度不是25℃,使得我在处理数据时,必须对理论值换算成30℃下的数值,查了很多本化学手册,也用了很多公式。对电化学有了进一步的认识,由于未学理论课,对对消法测电动势还不是很明白。实验中,实验室意外断电,耽误了约半个小时,使实验时间大大增加。
3.结论:
本实验通过制作铜电极、银电极、饱和硝酸钾-琼脂盐桥,组装成近似可逆的电池:Cu(s)|CuCl2(0.1000mol?L-1)||AgNO3(0.1000mol?L-1)|Ag(s) 和 Ag(s)|AgCl(s)|KCl(0.1000mol?L-1)||AgNO3(0.1000mol?L-1)|Ag(s)电池。实验中使用电位差计,采用对消法测量了30℃下Cu-Ag电池和不同温度下Ag-AgCl电池的的电动以及根据Gibbs-Helmholtz(吉势,利用Nernst(能斯特)方程求得了AgCl的KKssss,
布斯-亥姆霍兹)方程求得电池反应AAAA+(aaaa)+CCCC?(aaaa)=AAAACCCC(ss)的相应热力学函数?rrSSmm、?rrGGmm、?rrHHmm值。由于银电极的损坏及其他因素影响,除了?rrHHmm值误差很小外,其余误差都比较大,实验结果不是很理想,未达到预期。
参考文献
[1]. 崔献英,柯燕雄,单绍纯. 物理化学实验[M] . 第一版 . 合肥:中国科学技术大学出版社,2000:58-61.
[2]. 傅献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华. 物理化学(上册)[M] . 第五版 . 北京:高等教育出版社,2005.
[3]. 傅献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华. 物理化学(下册)[M] . 第五版 . 北京:高等教育出版社,2005. [4]. 李龙泉,朱玉瑞,金谷,江万权,邵利民. 定量化学分析. 第二版. 合肥:中国科学技术大学出版社,2005.
[5]. 印永嘉. 大学化学手册[M] . 济南:山东科学技术出版社:1985:864,874-894.
The determination and application of the battery electromotive force
Qian Jie
Department of Geochemistry and Environmental Science, University of
Science and Technology of China, Hefei, Anhui Province 230026
qj12345@mail.ustc.edu.cn
Abstract:
In this experiment, a copper electrode, a silver electrode, saturated potassium nitrate-agar salt bridges were fabricated and assembled into approximately reversible batteries:
-1-1
and Cu(s)|CuCl2(0.1000mol?L)||AgNO3(0.1000mol?L)|Ag(s)
-1-1
Ag(s)|AgCl(s)|KCl(0.1000mol?L)||AgNO3(0.1000mol?L)|Ag(s). In the experiment, the potentiometer was used to measure the electromotive force of the two batteries with the pair cancellation method under different conditions. The Nernst equation was used to obtain the KKssss
(AgCl) and the thermodynamic functions-?rrSSmm、?rrGGmm、?rrHHmm of the battery reaction- AAAA+(aaaa)+CCCC?(aaaa)=AAAACCCC(ss) was calculated according to the Gibbs-Helmholtz equation.
Key words:
Reversible cell electromotive force Nernst equation Solubility product Thermodynamic function Gibbs-Helmholtz equation
【附录:数据处理】
1.实验环境数据记录:
实验室温度、压力、湿度记录如下表。
附表6-1实验室环境记录(2016.10.24)
2.实验数据记录与处理:
(1)Cu-Ag电池电动势计算:
水浴温度为30.00℃,实验三次测量得到的电动势数据如下表。
附表6-2 Cu-Ag电池实测电动势
序号 1 2 3 平均值
温度(℃) 30.00
实测电池电动势(mV)
459.416 458.744 458.693 458.951
对于电池:Cu(s)|CuCl2(0.1000mol?L-1)||AgNO3(0.1000mol?L-1)|Ag(s)。电极反应为:
:Cu→ 0.1000 2 ;
:2 0.1000 2 →2 。
总反应为:Cu 2 0.1000 → 2 。
30.00℃下, =0.1000 mol?L-1时, =0.734, 0.0734 ?
-1
; =0.1000 mol?L时, =0.485., 0.0485 ? 。查阅文献
θ?(印永嘉,大学化学手册)可知,Ag
+
/Ag
=0.7996V,
温度系数为-1.000mV/℃;
?θCu
2+
/Cu
=0.3419V,温度系数为+0.073mV/℃。由此计算得到30.00℃时,电
动势的文献值为
RTaCu2+-3
E=E-TV=0.4236Vln+?-1.000-0.073?10()2
2FaAg+
θ
实测值为 =458.951mV。相对误差为
458.951 0.4236 100% 8.35%
(2)Ag‐AgCl电池电动势计算:
水浴温度30.00℃,实验3次测量的得到的电动势如下表。
附表6-3 Ag-AgCl电池实测电动势
序号 1 2 3 平均值
温度(℃) 30.00
实测电动势(mV)
490.367 489.988 489.725 490.027
对于电池:Ag(s)|AgCl(s)|KCl(0.1000mol?L‐1)||AgNO3(0.1000mol?L‐1)|Ag(s)。电极反应为:?( ):?Ag s →?AgCl s ?( ): →?Ag s ?
电池总反应: → 。?
-1
30.00℃下, =0.1000 mol?L时, =0.734, 0.0734 ?
; =0.1000 mol?L-1时, =0.770, 0.0770 ? 。查阅文献(印
θ?永嘉,大学化学手册)可知,Ag
+
/Ag
=0.7996V,温度系数为-1.000mV/℃;
φθAgCl/Ag=0.2224V
动势的文献值为
,温度系数为-0.658mV/℃。由此计算得到30.00℃时,电
E=Eθ-
RT1
+?T(-1.000-(-0.658))?10-3V=0.4417Vln
nFaAg+aCl-
实测值为 490.027 。相对误差为
490.027 0.4417 100% 10.94%
相对误差比较大,主要因为备用的银电极不是新镀的。
(3)利用电动势计算 :
RT1RTlnlnaAg+?aCl-+由E=
nFKspnF
()?
RTaAg+?aCl-RTγ±Ag+?CAg+?γ±Cl-?CCl- -2
=lnlnC)得:??????=(nFKspnFKsp
nEF
Ksp(AgCl)=aAg+?aCl-exp(-
RT
4.03 10
11
(303.15K下的实测值)
查阅文献(李龙泉等著,定量化学分析),298.15K下AgCl的 , . 为1.77 现在来求303.15K下的 。利用平衡常数与温度关系式(傅献彩等著,10 。
物理化学上册:362):
1
?
由于温度变化范围很小(?T 5K),认为? 不变,两边积分得到:
ln
, .
?
11
查阅热力学手册(傅献彩等著,物理化学上册,附录)得到反应物和生成物的标准摩尔生成焓,? (AgCl,s)=-127.068kJ?mol-1,? (Ag+,aq)=105.579 kJ?mol
-1
,? (Cl-,aq)=-167.159 kJ?mol-1。因此该反应
+
-
AgCl,s ? ? =? (Ag,aq)- ? (Cl,aq) 65.488
-1
kJ?mol。代入积分式得到303.15K下的AgCl的 文献值为:
1.77 10 10 65.488 1000 8.3145 1 303.15 1 298.15 2.74 10 10
相对误差为:
4.03 10 2.74 10 100% 85.3%
(4)Ag-AgCl电池热力学函数的计算:
①查阅热力学手册(傅献彩等著,物理化学上册,附录)得:
附表6-4 Ag+(aq)、Cl-(aq)、AgCl(s)标准态下的热力学数据
计算可得该反应热力学函数的文献值为:
127.068 105.579 167.159 ? 65.488 ? ?
? 109.789 77.107 131.228 ? 55.668 ?
? 96.2 56.5 72.68 ? 33.0 ? ?
由于298.15K和303.15K相差很小,近似认为热力学函数值不变,即标准态下的
热力学函数变化值近似为本实验反应的热力学函数变化值。 ②实验数据如下表。
附表6-5 Ag-AgCl电池在不同温度下的电动势测量值
电池电动势测量值(mV)
温度(℃)
1 2 3
30.00 490.367 489.988 489.725 35.00 486.055 486.201 486.443 40.00 483.360 483.371 483.362 45.00 480.488 480.470 480.432
绘制E-T图像并线性拟合(作图软件Origin9.1)。
平均值
490.027 486.233 483.364 480.463
附图6-1 Ag-AgCl电池电动势与温度的关系图像
由拟合直线方程得:E=681.11024-0.63122T/K(mV),因此
(
T=303.15K时,
?E
)P=k=-0.63122mV/K?T.
?rGm=-nFE=-47.2804kJ/mol,
?rSm=-(
??rGm?EP=nF()P=-60.903J?mol-1?K-1
?T?T,
。
?rHm=?rGm+T?rSm=-65.743kJ/mol
③相对误差为:
Er(?rGm)=
-47.2804kJ/mol-(-55.668kJ/mol)
?100%=-15.1%
-55.668kJ/mol,
,
-60.903J mol-1 K-1-(-33.0J mol-1 K-1)
Er(?rSm)=?100%=84.6%-1-1
-33.0J mol K-65.743kJ mol-1-(-65.488kJ mol-1)
Er(?rHm)=?100%=0.4%-1
-65.488kJ
mol。
范文三:《电动势与原电池》教学设计
《电动势与电池》趣味物理实验课程
一、教材情况分析
本部分内容重点涉及的是人教版选修 3-1,授课对象是高中二年级学生。课本教学地位 上是电源的深入的探究和学习,此外,本节内容是闭合电路及电磁感应的学习基础。
二、学生情况分析
本门课的主要内容是是网上在线视频课程, 所以教学对象主要为非物理专业的学生, 大 家都学过物理, 但是对物理这门学科的了解并不一定都是十分的深入。 很多同学在初中学过 理想电源(不考虑内阻) ,这会让他们有知识的影响:电动势就是电压、电源两端电动势不 变、电源用久电动势减低等等,这些都是错误的前概念。
三、教学目标
1.知识与技能
(1)知道电源是其他形式的能转化成电势能的装置;
(2)理解非静电力做功及电动势的本质。
2.过程与方法
(1)运用实物与实例类比分析;
(2)掌握从能量守恒和能量转化观点分析物理问题的方法。
3.情感态度与价值观
(1)体验从具体到抽象的探究思维模式和严谨科学态度;
(2)学会联系生活和物理,物理与社会。
四、教学重点与难点
重点:电动势的概念
难点:对非静电力做功的理解
五、教法学法
1.教法:实验法、讲授法、谈话法
2.学法:引导学生观察、分析、归纳、思考、操作。
六、教学用具
多媒体课件,教材,实验器材。
七、教学过程
八、学生作业
1. 课中练习
主要以选择题为主, 将每个实验所蕴含的物理知识以选择题的形式进行考核, 主要是以 多选题为主。
2. 讨论
主要针对知道电源是其他形式的能转化成电势能的装置、 理解非静电力做功及电动势的 本质这 2个科学知识进行讨论,包括实验的不足,以及对知识的不理解部分,均可以进行讨 论,并且老师进行互动答疑。
3. 课后作业
一份实验报告,同学课后分别去做这 2个实验,体会每个实验中所蕴含的物理知识,并 且完成实验结论以及实验的反思。 老师先评价, 然后再让学生互评, 综合老师以及学生的总
评进行打分。
4. 考核方式
以选择题和问答题的形式进行期末考核。老师评定成绩。
5. 各部分考核分值
课中练习为 20%,讨论为 20%,课后作业为 20%,期末考核为 40%。
九、课后反思
本次课是一堂微型的视频课, 所以也要保证完整, 在保证趣味性的同时, 也要保证它的 科学性。本节课对于非物理专业的人更加了解物理这门学科有所帮助, 但是,仍有不足,实 验设计方面可能需要更加严密一些。
范文四:测量电池电动势与内阻
附件:
参评作者信息采集表
性民姓 名 张桂桐 男 汉 出生年月 1980年7月 别 族
专专业技 学 历 本科 物理 中学二级 业 术职务
单位全名 从化中学 电话 87913362 单位地址 从化市街口街城内路239号 邮编 510900 家庭地址 移动电话 13794320829 E-mail zhtphy@21cn.com 身份证号 440184198007193011
1
实验:测量电池电动势与内阻
从化中学 张桂桐
课题名称 实验:测量电池电动势与内阻
一、情感态度与价值观 教学 培养学生的实验动手能力,培养学生的实验设计能力与实验的严谨性 目标 二、过程与方法
通过实验,使学生掌握正确的测量电池电动势与内阻的方法
三、知识与技能
1、学会测量电池电动势与内阻的方法
2、培养实验动手能力
3、会分析实验误差
教学重点 学会测量电池电动势与内阻的方法
教学难点 分析实验数据以及分析实验误差
教学资源 干电池、开关、导线、滑动变阻器、电流表、电压表
教 学 过 程
1(实验目的:测电源的电动势和内阻。
2(实验器材: 导入 电池(待测电源)、电压表、电流表、滑动变阻器、开
关、导线,坐标纸。 新课 3(实验原理:
用公式法计算E,r。 图 1
将第1、2次测得的U、I值代入公式:
求出E和r。
同理,由第3、4次,第5、6次的测量结果可求出相应的E和r。然后求
出干电池的电动势和内电阻的平均值:
4(实验步骤:
(1)确定电流表、电压表的量程,按照电路原理图把器材连接好。 教学 (2)把滑动变阻器滑片移到电阻最大的一端。
(3)闭合电键,调节变阻器,使电流表有明显示数,记录一组电压表和电流表的活动 读数,用同样方法测量并记录几组I、U值。
(4)断开电键,整理好器材。 (5)数据处理:在坐标纸上作U,I图,求出E、r
5(注意事项:
(1)实验电路图:安培表和滑动变阻器串联后与伏特表并联。
(2)测量误差:E、r测量值均小于真实值。
2
(3)安培表一般选0,0.6A档,伏特表一般选0,3V档。
(4)电流不能过大,一般小于0.5A。
6(实验数据的处理是本实验中的一个难点。原则上,利用两组数据便可得到结果,但这样做误差会比较大,为此,我们可以多测几组求平均,也可以将数据描在图上,利用图线解决问题。
在坐标纸上,用横轴表示电流I,纵轴表示路端电压U,选取适当比例,描出所记录的各组数据所对应的点,将这些点连成一条直线。如图连线应使尽可能多的点在直线上,并使直线两边的点尽可能对称。 直线与纵轴的交点表示断路时(I,0)的路端电压U,E,与横轴的交点表示短路时(U,0)的电流强度I。直线的斜率即为电源的内电阻: 0
1(用一只电流表和电阻箱测量: 如图2所示,改变电阻箱R的阻值,测出不同阻值时对应的电流表的示数,设分别为R、I和R、I。设被测电源的电动势和内阻分别为E、r,电流表的内阻为R,1122A实验 则由闭合电路欧姆定律可得:
E=I(R+r+R), 11A拓展
E=I(R+r+R), 22A
解得: ,
图2
。
2(用一只电压表和电阻箱测量
如图3所示,改变电阻箱R的阻值,测出不同阻值时对应的电压表的示数,设分别为R、U和R、U。设被测电源的电动势和内阻分别为E、r,电压表的内阻为R,1122V则由闭合电路欧姆定律可得:
3
,
, 图3
解得 E,r
7(例题:在利用伏安法测定电池的电动势和内电阻的实验中,某同学的实际连线
图,如图a所示。(电流表A:0,0.6,3A,电压表V:0,3,15V) 课堂
(1)经仔细检查、诊断知,
练习 该图中有两处不太合理的连线那
么,这两处不太合理的连线对应
的编号是 。
(2)若利用改正后的正确的
连线图,实验后,测得数据,并图a 图b
画出电源的输出特性图像(U—I
图)如图b。则该电源的电动势为 ,电源内阻为 。
总结 8(实验过程特别注意事项:
(1)本实验在电键闭合前,变阻器滑片应置于阻值最大位置处 (2)使用内阻较大一些的旧电池。在实验中不要将电流调得太大,每次读完数后
立即断电,以免使电动势和内阻发生变化
(3)要测出不小于6组,、,数据,且变化范围要大一些
(4)画,—,图线时,应使图线通过仅可能多的点,并使不在直线上的点均匀分
布在直线的两侧,个别偏离直线太远的点可舍去。
(5)画U--I 图线时,纵轴的刻度可以不从零开始,而是根据测得的数据从某一恰
当的值开始(但横坐标必须从0开始)但这时图线与横轴的交点不再是短路电流,
而图线与纵轴的截距仍为电动势E,图线的斜率的绝对值仍为内阻r.
作业 实验手册的课后练习题
布置
4
5
范文五:原电池电动势
1、记录数据
表一 数据记录表
E/V T/? T/K 理论计算相对误差 E1 E2 E3 E平均值
值/V 26.2 299.35 0.45616 0.45440 0.45520 0.45525 0.45622 0.21%
31.0 304.15 0.45221 0.45243 0.45229 0.45231 0.45307 0.17%
36.0 309.15 0.44820 0.44816 0.44877 0.44838 0.44978 0.31%
41.0 314.15 0.44501 0.44436 0.44425 0.44454 0.44650 0.44%
46.0 319.15 0.44074 0.44381 0.44015 0.44157 0.44321 0.37%
2、原电池的热力学计算
作E-T图如下:
0.456
0.454-4y=-7.08371x10x+0.66743
0.452R=0.99878
0.450
0.448E/V
0.446
0.444
0.442
0.440
300305310315320
T/K
表二 热力学函数变化值
温度/K 299.35 304.15 309.15 314.15 319.15
-4温度系数/V/K -7.08371×10
电动势/V 0.45525 0.45231 0.44838 0.44454 0.44157
ΔG/(J/mol) -43931.6 -43647.9 -43268.7 -42898.1 -42611.5 ΔS/(J/mol/K) 68.36
ΔH/(J/mol) -64394.5 -64438.9 -64401.5 -64372.7 -64427.9
3、将实验所得的电池反应的热力学函数变化值与理论值进行比较
-4?回归方程:y=-7.08371×10x+0.66743
,,故()=-0.708371,且n=1,F=96500C/mol,E=0.45623 p,,
ΔG=-nEF=-1×0.45623×96500 J/mol =,44026.1J/mol ()rm298.15
,,-4ΔS=,nF()=,1×96500×(-0.708371)×10=68.36 J/(mol?K) ()rm298.15p,,
,,ΔH=-nEF+nFT() ()rm298.15p,,
-4=-1×0.45623×96500+1×96500×298.15×(-0.708371)×10 kJ/mol=,64.41 kJ/mol
+-θ?查参考文献得Hg 、Ag(aq)、Cl(aq)、AgCl(s) 、HgCl(s)各自的的标准生成焓变ΔHm、标准生22f
θθ成自由能变ΔG及标准熵S,由此计算出电池反应的 fmm
θθθΔH、ΔG、ΔS如下所示。 rmrmrm
θΔH=?νΔH, ()rm298.15BfmB
θΔG=?νΔG, ()rm298.15BfmB
θΔS=?νΔS()rm298.15BmB
表三 热力学函数变化值与理论值的比较
θθθ ΔH/(kJ/mol) ΔG/(kJ/mol) ΔS/[J/(K?mol)] ()()()fm298.15fm298.15m298.15
Hg(l) 0 0 75.023
+Ag(aq) 105.90 77.11 73.93
-Cl(aq) -167.44 -131.17 55.20
HgCl(s) -265.22 -210.745 192.5 22
Ag(s) 0 0 42.55
ΔH/(kJ/mol) ΔG/(kJ/mol) ΔS/[J/(K?mol)] ()())()rm298.15rm298.15rm298.15
理论值 -71.07 -51.31 69.35 实际计算值 -64.41 -44.03 68.36
相对误差 9.37, 14.19, 1.43,
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