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原电池：从丹尼尔电池到能斯特方程

组装锌–铜电池，观察电子流动，并看电压如何取决于金属与浓度。

三维原电池：两个烧杯中的金属电极由导线和盐桥相连，电子沿导线移动，角落显示电压。

目标

测定四种电极对的 EE，并通过改变离子浓度比来检验能斯特方程。

仪器与试剂

由导线和盐桥连接的两个半电池，例如 ZnX2+\ce{Zn^2+} 中的 Zn\ce{Zn} 与 CuX2+\ce{Cu^2+} 中的 Cu\ce{Cu}；一只电压表。

步骤

  1. 保持 Zn / Cu，读取 lg⁡Q=0\lg Q = 0 时的 E∘E^\circ。
  2. 把 lg⁡Q\lg Q 调到 +2+2 和 −2-2，每次记录 EE。
  3. 把“反应进行程度”从 0 拉到 1，观察电极和溶液的变化。
  4. 把电极对换成 Zn / Ag、Cu / Ag、Fe / Cu，比较电压。

观察要点

  • lg Q = 0 时，Zn / Cu 为 1.10 V，Zn / Ag 为 1.56 V，Fe / Cu 为 0.78 V，Cu / Ag 为 0.46 V。
  • lg Q 每变化 1，E 约变化 0.030 V（Zn / Cu 在 −2 时为 1.16 V，+2 时为 1.04 V）。
  • 负极变细，正极变粗，Cu²⁺ 的蓝色变淡。

讲解

在负极（阳极）金属被氧化，Zn→ZnX2++2 eX−\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-}；在正极（阴极）离子被还原，CuX2++2 eX−→Cu\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}。电子经导线由 − 流向 +，盐桥使阴离子向负极、阳离子向正极迁移，从而保持电荷平衡。25 °C 时 E=E∘−0.05916nlg⁡QE = E^\circ - \frac{0.05916}{n}\lg Q，其中 QQ 是电池反应的离子浓度比；E∘E^\circ 为标准电极电势之差，即 E正∘−E负∘E^\circ_{\text{正}} - E^\circ_{\text{负}}。

实验史话

1836 年，约翰·弗雷德里克·丹尼尔制成了第一个耐用的原电池：锌电极插在稀酸（后改为硫酸锌）中，铜电极插在硫酸铜中，中间以多孔隔板分开。与不稳定起伏的伏打电堆不同，丹尼尔电池能稳定输出约 1.1 V，为早期电报网络供电数十年。法拉第的电解定律（1834）和能斯特的浓度相关电势公式（1889）随后使这类电池成为定量研究工具。

相关化学家

迈克尔·法拉第瓦尔特·能斯特

相关主题

原电池、电极电势、能斯特方程电解、腐蚀与金属防护

虚拟实验是帮助建立直觉的简化模型，不能替代真实实验和安全培训；没有指导请勿在家自行重复。