两个铜电极的铜离子浓度不同,将这两个铜电极用盐桥和导线连接起来组成原电池。这个电池的电动势和标准电动势 A. ε=0,ε'=0B. ε≠0,ε'=0C. ε=0,ε'≠0D. ε≠0,ε'=0
两个铜电极的铜离子浓度不同,将这两个铜电极用盐桥和导线连接起来组成原电池。这个电池的电动势和标准电动势
- A. ε=0,ε'=0
- B. ε≠0,ε'=0
- C. ε=0,ε'≠0
- D. ε≠0,ε'=0
题目解答
答案
解析
本题考查原电池电动势和标准电动势的概念及计算,解题思路是分别分析该原电池的电动势和标准电动势。
1. 分析标准电动势$\varepsilon^{\prime}$
标准电动势$\varepsilon^{\prime}$是指在标准状态下(各物质浓度均为$1mol/L$,气体分压为$100kPa$等),原电池的电动势。对于铜电极组成的原电池,其电极反应为$Cu^{2 + }+2e^-\rightleftharpoons Cu$。
标准电极电势$\varphi^{\prime}(Cu^{2 + }/Cu)$是一个定值,当两个铜电极组成原电池时,正负极电极反应相同,标准电极电势也相同。
根据标准电动势的计算公式$\varepsilon^{\prime}=\varphi_{+}^{\prime}-\varphi_{-}^{\prime}$(其中$\varphi_{+}^{\prime}$为正极标准电极电势,$\varphi_{-}^{\prime}$为负极标准电极电势),由于两个铜电极的标准电极电势相等,即$\varphi_{+}^{\prime}=\varphi_{-}^{\prime}=\varphi^{\prime}(Cu^{2 + }/Cu)$,所以$\varepsilon^{\prime}=\varphi^{\prime}(Cu^{2 + }/Cu)-\varphi^{\prime}(Cu^{2 + }/Cu)=0$。
2. 分析电动势$\varepsilon$
电动势$\varepsilon$是指在实际状态下原电池的电动势。对于铜电极组成的原电池,其电极反应为$Cu^{2 + }+2e^-\rightleftharpoons Cu$,根据能斯特方程$\varphi=\varphi^{\prime}+\frac{0.0592}{n}\lg\frac{[氧化态]}{[还原态]}$($n$为电极反应中转移的电子数,$[氧化态]$和$[还原态]$分别为氧化态和还原态物质的浓度),对于铜电极$n = 2$,$\varphi=\varphi^{\prime}(Cu^{2 + }/Cu)+\frac{0.0592}{2}\lg[Cu^{2 + }]$。
设两个铜电极中铜离子浓度分别为$[Cu^{2 + }]_1$和$[Cu^{2 + }]_2$,且$[Cu^{2 + }]_1\neq[Cu^{2 + }]_2$,则两个电极的电极电势分别为$\varphi_1=\varphi^{\prime}(Cu^{2 + }/Cu)+\frac{0.0592}{2}\lg[Cu^{2 + }]_1$,$\varphi_2=\varphi^{\prime}(Cu^{2 + }/Cu)+\frac{0.0592}{2}\lg[Cu^{2 + }]_2$。
原电池的电动势$\varepsilon=\varphi_{+}-\varphi_{-}$,假设$\varphi_1\gt\varphi_2$,则$\varepsilon=\varphi_1 - \varphi_2=\left(\varphi^{\prime}(Cu^{2 + }/Cu)+\frac{0.0592}{2}\lg[Cu^{2 + }]_1\right)-\left(\varphi^{\prime}(Cu^{2 + }/Cu)+\frac{0.0592}{2}\lg[Cu^{2 + }]_2\right)=\frac{0.0592}{2}\lg\frac{[Cu^{2 + }]_1}{[Cu^{2 + }]_2}$。
因为$[Cu^{2 + }]_1\neq[Cu^{2 + }]_2$,所以$\frac{[Cu^{2 + }]_1}{[Cu^{2 + }]_2}\neq1$,$\lg\frac{[Cu^{2 + }]_1}{[Cu^{2 + }]_2}\neq0$,则$\varepsilon\neq0$。