Лабораторная работа № 12 электродные потенциалы

I. Разделы теоретического курса для подготовки к лабораторной работе.

Особенности химической связи в металле. Возникновение скачка потенциала на границе раздела: металл-электролит. Анодный и катодный процессы. Электродный потенциал. Стандартный электродный потенциал. Ряд стандартных электродных потенциалов и ряд активностей металлов. Гальванический элемент. Равновесный (обратимый) электродный потенциал. Уравнение Нернста. Концентрационный элемент. Неравновесный (необратимый) электродный потенциал. Представление о коррозионном процессе.

II. Вопросы и упражнения

1. Почему растворение металла в электролите связано с процессом окисления?

2. Что такое электродный потенциал? Какой: термодинамической или кинетической характеристикой системы «металл – электролит» он является?

3. Что такое «анодный процесс»? Напишите уравнения анодного процесса при растворении а) меди, б) цинка, в) серебра.

4. Что такое «катодный процесс»? Напишите уравнения катодного процесса при контакте а) меди с раствором сульфата меди, б) цинка с раствором хлорида цинка, в) серебра раствором нитрата серебра.

5. Что такое «стандартный электродный потенциал»? Почему ряд стандартных электродных потенциалов тождественен ряду активностей металлов?

6. Какой металл является анодом и какой катодом в гальванических элементах а) Zn/Zn(NO₃)₂ // AgNO₃/Ag; б) Mg/MgSO₄ // CuSO₄/Cu? В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней цепи каждого из этих элементов? Напишите уравнения электродных процессов, превалирующих на каждом из элементов.

7. Вычислите значение электродного потенциала серебра в растворе нитрата серебра с активностью собственных ионов 10^-5 моль/л.

8. Гальванический элемент составлен из стандартного цинкового электрода и хромового электрода, погруженных в раствор , содержащий ионы Cr⁺³ . При какой концентрации ионов хрома ЭДС этого элемента будет равна нулю?

9. Чем отличается равновесный (обратимый) потенциал металла от неравновесного (необратимого)? Напишите уравнения анодного и катодного процессов при растворении цинка а) в растворе нитрата цинка; б) в растворе соляной кислоты, г) в растворе хлорида натрия.

III. Экспериментальная часть

Приборы и реактивы. Потенциометр, электролитические ячейки, стакан на 50 мл, хлорсеребряный электрод сравнения, рабочие электроды: цинковый, медный и железный. Растворы хлорида калия (1М), соли железа (II), сульфата меди и сульфата цинка (1 М, 10^-1 М, 10^-2 М, 10^-3 М), раствор гексацианоферрата (III) калия.

Рис. 1 Схема установки для измерения потенциала.

1 - электрохимическая ячейка с электролитом;

2 – исследуемый металл (рабочий электрод);

3 – потенциометр;

4 – электрод сравнения;

5 – стаканчик с раствором хлорида калия

Рис.2 Схема химического гальванического элемента

1 – электрохимическая ячейка с раствором хлорида калия; 2 – железный электрод;

3 соединительный провод; 4 – цинковый (медный) электрод; 5 – ячейка с раствором сульфата цинка (сульфата меди);

6 – стаканчик с раствором хлорида калия

Выполнение работы.

Опыт 1. Изучение характера поведения металла при работе гальванических элементов.

1а) Стержень цинкового электрода зачистите наждачной бумагой, промойте водой и высушите фильтровальной бумагой. Вставьте стержень электрода в одну из ячеек и заполните ее 1М раствором сульфата цинка таким образом, чтобы в носике ячейки не осталось пузырьков воздуха. В небольшой химический стакан налейте раствор хлорида калия. Установите ячейку в штативе рядом со стаканчиком с хлоридом калия, погрузив носик ячейки в раствор KCl (рис.1). В этот же стаканчик погрузите носик хлорсеребряного электрода сравнения. Подключите электрод сравнения и рабочий электрод к потенциометру и через 3 - 5 минут после подключения определите потенциал цинкового электрода по отношению к хлорсеребряному электроду сравнения.

Действуя аналогично, определите потенциалы железного электрода в 3% растворе хлорида калия и медного электрода в 1М растворе сульфата меди. Какой металл выступает в роли анода, а какой – в роли катода в каждом из опытов?

Напишите уравнения полуреакций, проходящих на аноде и катоде в этих опытах.

1б) Составьте гальванический элемент из цинкового электрода в растворе своей соли и железного электрода в растворе хлорида натрия, соединив между собой их клеммы (рис. 2). Дайте элементу поработать 10 - 15 минут, после чего разберите элемент. Из ячейки, где находился железный электрод, перелейте часть электролита (около 5 мл) в стаканчик. Добавьте туда же 1 микрошпатель сухой соли гексацианоферрата (III) калия. Что наблюдается?

Повторите эксперимент, предварительно тщательно зачистив железный электрод и ополоснув дистиллированной водой и залив в ячейку свежий раствор хлорида натрия, а цинковый электрод заменив на медный, опущенный в раствор своей соли. Дайте элементу поработать 10 - 15 минут, после чего разберите элемент. Из ячейки, где находился железный электрод, перелейте часть электролита (около 5 мл) в стаканчик. Добавьте туда же 1 микрошпатель сухой соли гексацианоферрата (III) калия. Что наблюдается в новом эксперименте?

Чем вы можете объяснить, что эффекты, которые вы наблюдали при добавлении раствора гексацианоферрата (III) калия в первом и во втором случае, не совпадали?

Какой металл выступает в роли анода, а какой – в роли катода в каждом из опытов? Напишите уравнения полуреакций, проходящих на аноде и катоде в обоих экспериментах.

Опыт 2. Определение природы электродных потенциалов некоторых металлов и прогнозирование их поведения в растворах электролитов.

Пользуясь методикой, описанной выше, определите потенциалы меди в растворах сульфата меди с концентрацией 1М,. 10^-1М,. 10^-2М, 10^-3М, начиная с наиболее разбавленного раствора . В качестве электрода сравнения используйте хлорсеребряный электрод. Определите потенциалы железа в растворах соли железа (II) концентрацией 1М,. 10^-1М,. 10^-2М, 10^-3М по отношению к хлорсеребряному электроду. Все полученные значения занесите в таблицу.

Переведите значения потенциалов металлов, определенных по отношению к хлорсеребряному электроду (Е_{эксп. ХСЭ}), в потенциал металла, определенный по отношению к нормальному водородному электроду (Е_{эксп.НВЭ}).

Пользуясь данными табл.12 Приложения, определите активность ионов металла в каждом из рабочих растворов и полученные значения внесите в таблицу. Для вычисления значения активности ионов в растворе используйте формулу:

a_Me = c_Me ……….(1)

где: a_Me – активность ионов металла, моль/л;

c_Me - концентрация ионов металла, моль/л;

 - коэффициент активности соли (см. табл. 12 Приложения).

Пользуясь уравнением Нернста, определите значение равновесного потенциала меди и железа в каждом из растворов.

E (Me/Me⁺ⁿ)= E⁰ (Me/Me⁺ⁿ)+ (RT/nF) ln a(Me⁺ⁿ) ………(2)

где: E (Me/Me⁺ⁿ) - равновесный потенциал металла, В

E⁰ (Me/Me⁺ⁿ) - стандартный потенциал металла, В

R - универсальная газовая постоянная, R=8,31 Дж/мольК

T – абсолютная температура эксперимента, К

n – число электронов, принимающих участие в реакции окисления

металла

F – постоянная Фарадея, F = 96500 Кулон

a (Ме⁺ⁿ) _– активность ионов металла в растворе электролита

Для обычной при электрохимических измерениях температуры (25⁰С = 298 К), после подстановки численных значений постоянных уравнение Нернста принимает вид:

E (Me/Me⁺ⁿ)= E⁰ (Me/Me⁺ⁿ) + (0,059/n) lg a (Me⁺ⁿ)……….(3)

Полученные результаты внесите в таблицу (Е_расч.).

Таблица. Данные для идентификации природы электродного потенциала:

Концен-трация электро- лита, моль/л	Рабочий электрод
	Cu2+/ Cu				Fe2+/ Fe
	Актив-ность ионов Cu2+, моль/л	Ерасч, В	Еэкс/ХС'Э, В	Еэкс/НВЭ, В	Актив-ность ионов Fe2+, моль/л	Ерасч, В	Еэкс/ХСЗ, В	Еэкс/НВЭ, В
1
10-1
10-2
10-3

Постройте на миллиметровой бумаге отдельно для меди и для железа зависимости а) экспериментально полученных значений потенциала металла по отношению к НВЭ от lg C_M ионов металла в растворе электролита,

б) значений потенциала, полученных расчетным путем по уравнению Нернста, от lg C_M ионов металла в растворе электролита. Сопоставьте полученные зависимости. Сделайте вывод относительно природы измеренных потенциалов ( равновесный или неравновесный потенциал) меди и железа, находящихся в растворах своих солей разной концентрации.