Cu-Zn原电池标准电动势测定实验的计算化学设计

doi:10.3866/PKU.DXHX202211089

大学化学 >> 2023, Vol. 38 >> Issue (9): 227-233.doi: 10.3866/PKU.DXHX202211089

Cu-Zn原电池标准电动势测定实验的计算化学设计

刘宇昂, 刘晓红(), 李姝, 叶世海, 李国然, 言天英

南开大学材料科学与工程学院, 天津 300350

收稿日期:2022-11-27 录用日期:2023-01-28 发布日期:2023-09-21
通讯作者: 刘晓红 E-mail:xhliu@nankai.edu.cn
基金资助:
南开大学2022年实验教学课程改革项目(22NKSYJC04);国家自然科学基金(21703108);国家自然科学基金(22273040);南开大学材料科学与工程学院2021年本科教育教学改革项目

Computational Chemistry Design of the Experiment of Determining the Copper-Zinc Glavanic Battery Standard Electromotive Force

Yu'ang Liu, Xiaohong Liu(), Shu Li, Shihai Ye, Guoran Li, Tianying Yan

School of Materials Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300350, China

Received:2022-11-27 Accepted:2023-01-28 Published:2023-09-21
Contact: Xiaohong Liu E-mail:xhliu@nankai.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

基于量子化学计算软件Gaussian 16，对“电动势的测定”这一经典物理化学实验进行了计算化学设计。用密度泛函方法计算了Cu²⁺和Zn²⁺的溶剂化自由能，通过热力学循环计算得到电池反应的标准摩尔吉布斯自由能变，进而求出Cu-Zn原电池的标准电动势。该实验旨在帮助学生加深对标准摩尔吉布斯自由能、电极电势和能斯特方程等物理化学基本概念的理解，发挥学生的主观能动性，培养学生设计实验能力、动手实践能力以及科学思维。

关键词: 原电池, 标准电动势, 热力学循环, 溶剂化自由能, 计算化学实验

Abstract:

Based on the quantum chemical calculation software Gaussian 16, a computational chemistry design was carried out for the classical physical chemistry experiment "Determination of electromotive force". The solvation free energy of Cu²⁺ and Zn²⁺ was calculated by density functional theory, and then the standard molar Gibbs free energy change of the cell reaction was computed through the thermodynamic cycle. The standard electromotive force of the Cu-Zn glavanic battery was further derived. The experiment aims to deepen students' understanding of the basic physical chemistry concept, such as standard molar Gibbs free energy, electrode potential and Nernst equation, to give full play to students' subjective initiative, and to cultivate students' abilities of experiment designing, practice and scientific thinking.

Key words: Glavanic battery, Standard electromotive force, Thermodynamic cycle, Solvation free energy, Computational chemistry experiment

刘宇昂, 刘晓红, 李姝, 叶世海, 李国然, 言天英. Cu-Zn原电池标准电动势测定实验的计算化学设计[J]. 大学化学, 2023, 38(9): 227-233.

Yu'ang Liu, Xiaohong Liu, Shu Li, Shihai Ye, Guoran Li, Tianying Yan. Computational Chemistry Design of the Experiment of Determining the Copper-Zinc Glavanic Battery Standard Electromotive Force[J]. University Chemistry, 2023, 38(9): 227-233.

链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202211089

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2023/V38/I9/227

图/表 5

图1

表1

图2

表2

表3

参考文献 16

1	李晓艳;张怀玉;孟令鹏;曾艳丽.大学化学,2022,37(12),2112054.
2	张汝波;张绍文.化学教育(中英文),2020,41(24),53.
3	许秀芳.大学化学,2016,31(12),53.
4	邱晓航;李一峻;韩杰;尚贞锋.基础化学实验,第2版北京:科学出版社,2017,311
5	Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; et al. Gaussian 16, Revision C. 01; Gaussian, Inc. : Wallingford, CT, USA, 2016.
6	TanakaN.;TamamushiR.Electrochim. Acta1964,9(7),963. doi: 10.1016/0013-4686(64)85045-3
7	朱志昂;阮文娟.物理化学(下册),第6版北京:科学出版社,2018,212
8	王雪飞;高鹏;高美;廖知常;王卓.化学教育(中英文),2022,43(6),126.
9	Cox, J. D.; Wagman, D. D.; Medvedev, V. A. CODATA Key Values for Thermodynamics; Hemisphere Publishing Corp. : New York, NY, USA, 1984; pp. 1–5.
10	Haynes, W. M.; Lide, D. R.; Bruno, T. J. Section 10. Atomic, Molecular, and Optical Physics. In CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th ed.; CRC Press. : Boca Raton, FL, USA, 2016: 204.
11	MarcusY.Biophys. Chem.1994,51,111. doi: 10.1016/0301-4622(94)00051-4
12	朱志昂;阮文娟.物理化学(上册),第6版北京:科学出版社,2018,342
13	许秀芳.大学化学,2021,36(2),1912058.
14	ZhaoY.;TrularD. G.Theor. Chem. Acc.2008,120,215. doi: 10.1007/s00214-007-0310-x
15	MarenichA. V.;CramerC. J.;TruhlarD. G.J. Phys. Chem. B2009,113,6378. doi: 10.1021/jp810292n
16	BryantsevV. S.;DialloM. S.;GoddardW. A., ⅢJ. Phys. Chem. B2008,112(32),9709.

电极	$ {{\Delta }}_{\text{sub}}{G}\text{/eV} $ ^[9]	$ {{\Delta }}_{\text{ion}}{G}\text{/eV} $ ^[10]	$ {\Delta }{{G}}_{\text{exp}}^{\text{*}}\text{/eV} $ ^[11]	$ {{\Delta }}_{\text{r}}{{G}}_{\text{m, c, exp}}^{\text{Ө}}\text{/eV} $	$ {{\Delta }}_{\text{r}}{{G}}_{\text{m, a, exp}}^{\text{Ө}}\text{/eV} $
Cu	3.0836	28.0188	−21.7335	−9.3689	–
Zn	0.9822	27.3589	−21.1638	–	−7.1774

内容	注释
%nprocshared=12	使用12个核心并运行计算
%chk=Cu2+_g-sp.chk	chk文件的存储位置
# m062x 6-31g(d)	计算执行路径，指定计算方法、基组、计算项目
Cu2+_g-sp	标题行
2 2	电荷与自旋多重度
Cu 0.00000000 0.00000000 0.00000000	元素符号与笛卡尔坐标

物种	E_ele(g)/hartree ^*	E_ele(q)/hartree	$ {\Delta }{{G}}_{\text{cal}}^{\text{*}} $/eV	$ {{\Delta }}_{\text{r}}{{G}}_{\text{m, c}}^{\text{Ө}}\text{/eV} $	$ {{\Delta }}_{\text{r}}{{G}}_{\text{m, a}}^{\text{Ө}}\text{/eV} $
Cu²⁺	−1639.16842165	−1639.91593249	−20.2578	−10.8446	–
Zn²⁺	−1778.07288886	−1778.82510413	−20.3858	–	−7.9553

[1]	吴强, 侯文华. 经典内容、常教常新——以温-熵图为例[J]. 大学化学, 2025, 40(4): 399 -407 .
[2]	陈文恺, 沈芸稼, 孔祥梦, 曾艳丽. 圆偏振发光中关键物理量的量子化学计算研究——介绍一个探究性计算化学实验[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 83 -91 .
[3]	刘宇昂, 武跃超, 黄钧宇, 王涛, 刘晓红, 言天英. 使用从头算方法计算标准氢电极的绝对电极电势[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 215 -222 .
[4]	王渭娜, 冯丽霞, 刘峰毅, 王文亮. 计算化学实验助力有机反应机理学习——以HCl与不对称烯烃的亲电加成反应为例[J]. 大学化学, 2025, 40(3): 206 -214 .
[5]	张涛, 宗蒙, 凌博恺, 饶衡, 闫毅, 陈凯杰. 电化学系列基础实验设计[J]. 大学化学, 2025, 40(1): 67 -74 .
[6]	周勇, 郭嘉, 熊芸, 何禄英, 李辉. 化工安全与环保课程电化学腐蚀原电池综合教学实验[J]. 大学化学, 2024, 39(7): 330 -336 .
[7]	樊玲, 庞美丽, 张业云, 王彦美, 尚贞锋. 蒽与马来酸酐Diels-Alder反应的量化计算研究——介绍一个计算化学实验[J]. 大学化学, 2024, 39(4): 133 -139 .
[8]	周佳. 应用量子化学和机器学习构建水分子势能面——介绍一个综合计算化学实验[J]. 大学化学, 2024, 39(3): 351 -358 .
[9]	王廷博, 罗垚, 胡冰艳, 刘瑞苑, 苗晶, 路慧哲. 烯丙基苯基醚Claisen重排反应的量化计算研究——介绍一个计算化学实验[J]. 大学化学, 2024, 39(11): 278 -285 .
[10]	聂小娃, 杨文超, 郭新闻. 乙醇分子内及分子间脱水反应机理的计算化学实验研究[J]. 大学化学, 2023, 38(9): 179 -187 .
[11]	许文华, 李安阳, 岳可芬. 主族元素AB₄型含氧酸根的成键分析——推荐一个研究型计算化学实验[J]. 大学化学, 2022, 37(2): 2108101 - .
[12]	李晓艳, 张怀玉, 孟令鹏, 曾艳丽. 计算化学实验线上线下混合教学模式的探究与实践[J]. 大学化学, 2022, 37(12): 2112054 -0 .
[13]	杨松, 汤义涵, 徐嘉伟, 刘偌曦, 薛冰, 张致慧. 绝对硬度的量化探究——介绍一个计算化学实验[J]. 大学化学, 2021, 36(8): 2010036 - .
[14]	许秀芳. HCN与HNC异构化反应活化能的量化计算实验[J]. 大学化学, 2021, 36(2): 1912058 - .
[15]	司玉军, 刘新露, 张瀚丹, 刘珊珊, 刘旖歆. 设计综合性实验强化物理化学理论课教学探索——以原电池设计为例[J]. 大学化学, 2021, 36(1): 1910051 - .

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