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主题：【第十四届原创】机械式UJ25仪器与数字式SDC-Ⅱ在原电池电动势测定实验中的对比研究

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北京化工大学师生团队发表于：2021/11/30 18:22:21 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

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机械式UJ25仪器与数字式SDC-Ⅱ在原电池电动势测定实验中的对比研究

范亨利1，叶姝琴1，崔猛2,*

（1.北京化工大学，生命科学与技术学院，北京，100029；2.北京化工大学，化学学院，北京，100029）

作者简介：

崔猛(1980年4月),男，实验师，理学博士，cuimeng@mail.buct.edu.cn,通讯联系人。

范亨利（2001年1月），男，生物工程专业本科在读。

叶姝琴（2002年1月），女，生物医学工程专业本科在读。

摘要

原电池电动势的测定实验是经典的物理化学实验，学生通过进行本实验能够理解和学会对消法的基本原理，了解原电池电动势的测定和应用。UJ25型直流高电势电位差计是使用于该实验的传统测量仪器，但在测量过程中操作繁琐。同时，指针式检流计的使用，也会带来一定的不利影响。本文为探究该实验的改进方案，进一步提高实验的准确度及精确度，提升学生的实验体验，引入新型数字化仪器进行对比，分别通过传统机械式仪器和新型数字化仪器进行了原电池电动势测定。实验发现与传统机械式仪器相比，新型数字化仪器的操作更简单而且智能化，测量值的准确性和灵敏度较高，可以较好地替代传统机械式仪器。

关键词：原电池、实验教学改进

The Comparison Research of UJ25 Mechanical Instrument And SDC-ⅡDigital Instrument Used in Galvanic Cell Electromotive Force Measurement Experiment

Abstract

Galvanic cell electromotive force measurement experiment is a classic physical chemistry experiment, students can understand and learn the basic principle of elimination method through this experiment, as well as understand galvanic cell electromotive force measurement and application. UJ25 DC High Potential Potentiometer is a traditional measuring instrument used in this experiment, but the operation is cumbersome in the measurement process. At the same time, the use of pointer galvanometer will also bring some adverse effects. In this paper, in order to explore the improvement scheme of the experiment, further improve the accuracy and precision of the experiment, and enhance students’ experimental experience, a new digital instrument is introduced for this experiment and comparison, respectively through the traditional mechanical instrument and the new digital instrument for galvanic cell electromotive force measurement. Experimental results show that compared with the traditional mechanical instrument, the new digital instrument is more simple to operate and intelligent, the accuracy and sensitivity of the measurement value is higher, and it can better replace the traditional mechanical instrument.

Keyword: galvanic cell, improvement in experimental teaching

0引言

物理化学是一门培养高素质化学化工专业人才的学科基础课，生活中它无处不在，学好这门课程是每一个工科学子所必备的素质。而物理化学实验由物理化学延伸出来，旨在培养学生动手能力，提升学生自主思考、用于创新的科研水平。电化学在现实中应用广泛，电池、酸度计的使用等都运用到电化学知识，生活中随处可见原电池，了解其电动势大小和放电充电原理有助于我们更高效地利用和保存它们。原电池电动势的测定是经典的物理化学实验，目前在大学实验教学中是将UJ25型直流高电势电位差计和检流计组合使用，采用对消法测量待测电池电动势，这种方法不用测量电流大小，具有较高的准确性,但在使用时连接线路较麻烦，学生易出错。此外，该仪器在调节阻值大小时需要判断检流计指针变化，容易造成误差。同时，锌棒、铜棒以及惰性电极的选择和处理也会对原电池电动势的测定造成一定的影响。

目前，人们针对该实验的改进已经进行了较多的探索，使实验更加符合绿色化学的要求。锌棒作为电极其上发生电极反应会产生表面极化现象，李苞[1]等人利用微米压印技术制备锌电极，采用150和280微米压印电极能使测定结果的绝对误差相对小。饱和甘汞电极由于底部较细容易损坏，赵会玲[2]等人在保持饱和甘汞电极电极面积不变的情况下将底部较细部分改造为较粗的形状，大大增强了其抗损坏能力。为了加强恒温效果，胡俊平[3]等人设计了一种同时测定三电极体系的电池电动势的装置，在循环水恒温的密闭装置内可以保持整个装置的恒温环境，从而有效提高测量数据的重复性。此外，为克服对消法本身测量程序复杂、实验时间长的缺陷，宋江闯[4]等人使用高阻抗法测定原电池电动势及其温度系数，测量结果准确且大大降低了实验操作的复杂程度节省了实验时间。而范国康[5]等人利用离心管架作为支架、离心管作为容器，铜丝、锌、改造的银-氯化银电极来测量各原电池电动势，使得本实验成本大大降低，浪费减少。

针对测量仪器本身，人们已经使用过较多种类的仪器，但未曾明确阐述过仪器的优势和缺陷。本文采用更加智能化数字化的测量仪器来替换传统机械式仪器，并进行了一系列的对比实验，旨在简化实验流程，加深学生对该实验原理的理解，探索该实验的应用层面。

1实验原理

1.1可逆电池电动势的测量

可逆电池[6]要求化学反应可逆、能量转换和传递可逆，即电池的充电反应是放电反应的逆反应，且电池中不存在液体接界电势等因素引起的实际不可逆性，可逆电动势即平衡电动势。本实验其中一个待测电池丹聂耳电池是双液电池，液体接界处存在不可逆的离子扩散过程，但测量过程中通过电池的电流，可忽略此微小差异，因此该电池可近似看成可逆电池，测量其电池电势。

可逆电池电动势可与热力学函数联系起来，恒温恒压过程，可逆放电过程中所做的非体积功等于系统吉布斯自由能的变化，由法拉第定律得通过电池的电荷量为

，则可逆电功为，可得到。又,且由热力学定律可知，

其中称为电动势的温度系数。

1.2波根多夫(Poggendorff)对消法

波根多夫(Poggendorff)对消法[6]是人们常采用的测量电池电动势的方法，其原理是利用一个与待测电动势大小相等、方向相反的外加电压对抗待测电池所产生的电动势，使被测量回路不再有电流通过，此时的外加电压即等于待测电池电动势。

本实验电路图如下所示

图1.波根多夫对消法实验电路图

Picture 1. Poggendorff elimination method experimental circuit diagram

EN为标准电池，RN为可调节电阻，EX为待测电池，K为换向开关。

本实验[6、7]中工作回路的工作电流I保持恒定。首先，调节电阻RN使标准电池电动势

, 随后将测量电路中的开关K拨向EN端，调节内阻r使工作电路的电流为I,即使滑动电阻RN两端电势差与标准电池电动势对消，此时测量电路中电流趋近于零。将开关K拨向待测电池EX，保证RN不变，调节AB间的电阻值，使检流计G的指针指向0。此时有

则有

可得到

本实验不需要测定电流值，EN已知，因此只需要知道RX与RN的比值即可计算得到待测电池电动势的数值。通常，电阻值的测量精度较高，利用对消法测定原电池电动势具有较高的精度[8]。

2实验部分

2.1仪器与试剂

UJ25型直流高电势电位差计；SDC-Ⅱ数字电位差综合测试仪；SYC-158超级恒温水浴；BC9a便携式饱和标准电池；AZ19直流检流计；电源(2.9-3.3V)；硫酸锌；硫酸铜；邻苯二甲酸氢钾；醌氢醌；铜棒；锌棒；甘汞电极；铂电极；盐桥。

2.2实验步骤

恒温水浴中，分别使用UJ25型直流高电势电位差计和SDC-Ⅱ数字电位差综合测试仪按照标准实验步骤[7]步骤测量以下电池电势，其中铜棒和锌棒在经过充分的打磨使其表面光滑铮亮后使用，待测醌氢醌溶液由邻苯二甲氢钾溶液加少量醌氢醌粉末配置而成。

电池(1)：(饱和水溶液)(待测)

电池(2)：(饱和水溶液)()

电池(3)：()(饱和水溶液)

电池(4):()()

使用UJ25型直流高电势电位差计时，首先需要调节温度补偿旋钮是其示数等于标准电池电势，而标准电池电势与温度的关系如下，

其中，T为环境温度，单位为。然后接入电源、待测电池、检流计等进行调零和测量。

图2.UJ25型直流高电势电位差计示意图

Picture 2. UJ25 DC High Potential Potentiometer diagram

而SDC-Ⅱ数字电位差综合测试仪与UJ25型电位差计使用方法略有不同。该仪器在使用前应先进行15min的预热。本文在采用内标法测量电池电动势时，只需用导线将待测电池连接入电路中即可，不需要使用标准电池。测量时，首先旋至内标状态，接入测试线并调节五个数值旋钮使电位指示显示为“1.000000”V，补偿旋钮逆时针旋到底，随后将两测量线短接，待检零指示示数稳定后按下“归零”使指示为“0000”。然后接入待测电池，在仪器测量状态下由大到小调节测量旋钮，尽可能使检零指示接近于零，最后调节至补偿旋钮时检零指示示数基本不变或者变化很缓慢时即可记录下电位示数，此时示数就是待测电池电动势。外标法测量时除了不用外接检流计外，使用步骤与UJ25型电位差计相同，本文并未使用。

图3. SDC-Ⅱ数字电位差综合测试仪示意图

Picture 3. SDC-ⅡDigital Potential Difference Comprehensive Test Instrument diagram

3实验结果和讨论

3.1溶液pH的测定

醌氢醌电池测量溶液pH的原理同酸度计(pH计)一样，都是由电极反应包含氢离子的指示电极和参比电极组成，其中参比电极的电极电势是确定已知的[9]。本实验中，参比电极为甘汞电极，指示电极为铂电极，铂电极上发生的电极反应为，

稀溶液状态下，醌和氢醌浓度相等且活度近似为1，可得，

而在甘汞电极同样有电极反应发生，产生一定电极电势，由此可计算得到醌氢醌电极和甘汞电极构成的原电池的电动势为，

将式(1)和(2)联立可得溶液pH的计算公式。

将恒温水浴调节至时，测得醌氢醌电池电动势如下，利用公式计算得到溶液pH，其中，

将计算结果与文献值()相比较,得到下列数据。

表1.UJ25型仪器测量数据

Figure 1. UJ25 Instrument measure data

表2. SDC-Ⅱ型仪器测量数据

Figure 2. SDC-ⅡInstrument measure data

分别计算使用两种仪器测量时pH计算结果的平均值，并采用如下方法计算出本实验测量结果同文献值的偏离程度S，

可得到以下结果，

此外，根据以上计算结果可以计算得到平均值的相对误差，分别为，。从计算结果来看，，，很明显针对测量溶液pH这一实验步骤，使用SDC-Ⅱ数字电位差综合测试仪的计算结果更加准确和稳定。除此之外，利用pH计测定所配制醌氢醌溶液的pH时，其示数稳定在4.0左右。将9组pH计算结果绘制成如下图表，可以看到，相比于UJ25型电位差计，使用SDC-Ⅱ数字式仪器的计算结果更多地稳定在相对误差1.0%之内，而前者则部分稳定在0.5%之内，但相对来说SDC-Ⅱ型仪器稳定性较高一点，这与两种仪器测量过程中的使用方式有关。UJ25型仪器使用时需要不断按压按键有关，有时会因对检流计指针偏转观察不到位，而导致按压时间过长，使待测电池通过较大电流，破坏了电池的平衡条件，使测量结果产生误差。同时，使用UJ25型仪器时，误差同样会出现在对检流计指针是否指向零和指针偏向的判断上，这难以避免，但系统误差出现于每一次测量中，不过在本实验中这样的误差影响很小，可以忽略。SDC-Ⅱ型仪器使用时不用判断指针偏转，而是通过检流指示的数值来确定被测电动势的值，大大简化了调节和测量过程。理想状态下，调节补偿旋钮至检流指示为“0000”时可记录下被测电动势的值，但在实际情况中，示数会不断变动，使得测量时不易判断测量电路电流为零的时刻，这对仪器测量结果的稳定性有一定影响。

图4. UJ25型与SDC-Ⅱ型仪器计算结果距离图

Picture 4. UJ25 and SDC-ⅡInstrument result distance diagram

一定温度下，醌氢醌电池电动势仅与溶液中氢离子活度有关，温度改变时溶液氢离子活度会发生变化，这种变化则会反应在电池电势上，因此可以利用电化学方法测定溶液酸碱度，本实验所搭建的醌氢醌电池是测定溶液pH比较准确的方法。为探究温度对电池电势及溶液pH的影响，本文分别利用UJ25型仪器和SDC-Ⅱ型仪器测定了不同温度下电池(1)的电池电势，结果如下，

表3. 两种仪器醌氢醌电池电势测量数据表

Figure 3. The Q/HQ battery potential measure data of two instrument

UJ25 SDC-Ⅱ

图5.两种仪器醌氢醌电池电势随温度的变化趋势图

Picture 5. The variation trend diagram on battery potential with temperature of two instrument

观察到电池电势随温度的升高而下降，并且UJ25型直流高电势电位差计和SDC-Ⅱ数字电位差综合测试仪所测得的电动势随温度变化的拟合效果都比较好，均可以应用于该实验当中。以SDC-Ⅱ数字电位差综合测试仪为例，以温度为横坐标，电池电势为纵坐标作图可得到一条电势随温度变化曲线，其斜率为该电池的温度系数，即，利用温度系数即可计算得到不同温度下电池反应的、、，计算结果如下,时，

3.2铜、锌标准电极电势及丹聂耳电池电势的测定

查阅文献可知，溶液的离子活度系数分别为0.016和0.015[6]。可利用下列公式计算得到铜、锌标准电极电势及丹聂耳电池电势的数值，

已知文献值（），可计算得到相对误差如下表所示，

表4.甘汞-铜电池电势测量数据

Figure 4. Calomel-Copper Cell potential measure data

表5. 锌-甘汞电池电势测量数据

Figure 5. Zinc-Calomel Cell potential measure data

表6.锌-铜电池电势测量数据

Figure 6. Zn-Cu Cell potential measure data

由这些图表我们观察到，使用SDC-Ⅱ型仪器测量时相对误差要小于使用UJ25型仪器时的相对误差，整体来看其测量结果准确性略高，可以用于代替传统仪器进行原电池实验的测定。此外，我们发现配制浓度为溶液同样可以计算得到铜电极和锌电极的标准电极电势，且相对误差均较小，在一定程度上可以节省金属盐类试剂用量，减轻实验废液回收的压力。

表7.低浓度溶液电池电势测量数据

Figure 7. low-concentration solution cell potential measure data

此外，本次实验记录了完成四个电池电势测量所需要的完整时长，如下表所示。UJ25仪器配合检流计使用，检流计指针转动对实验有一定影响，而SDC-Ⅱ仪器的“检零示数”常出现数值左右摆动的情况，做实验时无法快速记录数据，会在一定程度上延长实验操作时间，所以总体来说使用两种仪器进行实验的耗时相差不大，但是使用SDC-Ⅱ型仪器相对于UJ25型电位差计在操作上会更加简便和智能化。

表8. 原电池电动势测定实验时间统计数据

Figure 8. Galvanic Cell Electromotive Force Measurement Experiment time data

4结论与展望

UJ25型直流高电势电位差计使用时需要与检流计连接，通过观察检流计指针变化来调节测量旋钮测定待测电池电动势。在测量过程中，UJ25型仪器需要不断按压使测量电路中通过电流，使检流计指针偏转从而调节阻值旋钮，而这容易出现按压时间过长的情况，使通过原电池的电流不趋于零，产生较大的极化电势，影响实验结果。此外，对检流计指针是否指零易产生误判，从而记录下不准确的测量结果。标准电池精确与否也容易给实验带来大的误差。使用UJ25型仪器开始测量前，需要用导线将检流计、标准电池、电源、待测电池连接进电路中，这一过程比较繁琐，导线数量的增多可能会对仪器内部阻值分布造成影响。长久以来，该仪器一直被使用于原电池电动势的测定实验中，具有一定的准确性，且经过验证其测量结果的相对误差较小，符合实验规范。

SDC-Ⅱ数字电位差综合测试仪相对于传统仪器使用更加方便，不需要连接繁琐的电路，其配备有专门的导线，使导线对实验的影响降到最低。该仪器采用数字化的表盘，避免了判断指针偏向的失误，其相对于UJ25型仪器更加智能化，更加灵敏，能够检测到由于微小扰动所造成的电池电动势变化。但在判断测量电路中电流为零的时间点的把握上，即检流示数何时算是趋近于零，SDC-Ⅱ型仪器主观性更大。实验过程中，检流示数时常晃动，干扰结果判定，无法准确确定测量结果，在无形中会延长实验时间。此外，相较于UJ25型仪器，SDC-Ⅱ数字电位差综合测试仪采用内标法测量时，不用接入标准电池，不会受到标准电池老化、受潮等因素的影响，测量结果准确，相对误差小。

总体来看，SDC-Ⅱ型仪器操作更加简单方便，准确性较高，可以在原电池电动势的测定实验中代替UJ25型仪器作为测量仪器使用。

对于物理化学实验来说，掌握测量过程和实验步骤是次要的，理解每一个实验的物理化学原理才是主要的。只有真正理解实验原理，运用原理于实践中才能得心应手。现代社会中，智能化是大趋势，然而在许多智能化仪器的帮助下，学生们只知道如何使用，却往往不会去了解实验背后的化学原理，因此，如何权衡数字化仪器带来简便快捷的同时又不利于加深学生对实验原理理解的矛盾，是需要进一步深入思考的问题。

5参考文献

[1]李苞,张虎成,张树霞,等.对消法测定原电池电动势实验中电极制备的改进[J].大学化学,2014,29(2):59-63.

[2]赵会玲,宋江闯,熊焰.“原电池电动势的测定”实验的几点改进[J].广州化工,2015,(9):196-197.

[3]胡俊平,刘妍,毕慧敏,等.物理化学实验项目改进创新——以“原电池电动势的测定及在热力学上的应用”为例[J].化学教育,2016,37(10):32-34.

[4]宋江闯,赵会玲,马淑然,等.高阻抗法测定原电池电动势及其温度系数[J].电源技术,2013,37(12):2182-2184,2264.

[5]范国康,方卉慧.原电池电动势测定实验的微量化改进[J].科教导刊-电子版（中旬）,2020(6):175.

[6]天津大学物理化学教研室编.物理化学第六版（下）[M].北京：高等教育出版社, 2017.

[7]柯以侃,王桂花.大学化学实验第二版[M].北京:化学工业出版社, 2010.

[8]杨小勇,蔡飞宇,高康康,等.《原电池电动势测定》教学方法思考[J].课程教育研究(新教师教学),2013(34):314-314.

[9]刘金峰.pH计的原理、使用方法和维护[J].口腔护理用品工业,2019,29(2):35-36.

附件：

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