Лабораторная работа № 10 «Ряд напряжений. Гальванические элементы»

Теоретическое введение

Химические процессы, которые сопровождаются возникновением электрического тока или сами вызываются им, называются электрохимическими.

Разность потенциалов, возникающая в двойном электрическом слое на границе металл – раствор, называют электродным потенциалом (φ).

Непосредственно измерить потенциал отдельного электрода (металла) невозможно. Поэтому электродные потенциалы измеряют относительно стандартного водородного электрода, потенциал которого принимают равным нулю.

Разность потенциалов между металлом, погруженным в раствор своей соли с концентрацией ионов металла 1 моль/л, и стандартным водородным электродом при стандартных условиях называется стандартным электродным потенциалом металла.

Максимальное напряжение гальванического элемента, отвечающее обратимому протеканию происходящей в нем реакции, называется электродвижущей силой Е (э.д.с.) элемента.

Э.Д.С. гальванического элемента может быть представлена как разность двух электродных потенциалов, каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на одном из электродов.

Зависимость электродного потенциала от концентрации веществ, участвующих в электродных процессах, и от температуры выражается уравнением Нернста:

φ_Меⁿ⁺/_Ме = (φ⁰_Меⁿ⁺ /_Ме + 0,059/ n) lg[Меⁿ⁺],

где φ⁰_Меⁿ⁺ /_Ме – стандартное значение электродного потенциала,

n – валентность металла

Металлы, расположенные в порядке возрастания алгебраического значения их стандартного электродного потенциала, составляют электрохимический ряд напряжений, (ряд стандартных электродных потенциалов).

Значение электродного потенциала количественно характеризует способность металла отдавать электроны, т. е. восстановительные свойства. В этом ряду восстановительная активность металлов в водных растворах сверху вниз уменьшается. И наоборот, окислительная способность катионов металлов сверху вниз увеличивается. Металлический литий – самый сильный восстановитель, а золото – самый слабый. Ион золота Au³⁺ - самый сильный окислитель, ион лития Li⁺ - самый слабый.

Гальванический элемент – это прибор для превращения химической энергии в электрическую.

Гальванические элементы делятся на химические и концентрационные.

Химический гальванический элемент

А(-) Zn/ZnSO₄ // Cu SO₄/Cu К(+)

А(-) Zn⁰ – 2ē = Zn²⁺ процесс окисления

К (+) Cu²⁺ + 2ē = Cu⁰ процесс восстановления

Е = φ_к – φ_А = φ Cu²⁺/ Cu⁰ - φ Zn⁰ / Zn²⁺

Чем меньше алгебраическая величина электродного потенциала металла, тем легче его атомы отдают свои электроны и тем труднее его ионы присоединяют их обратно.

Концентрационный гальванический элемент

А(-) Ag/AgNO₃ (0,001M) // AgNO₃(0,1M)/ Ag К(+)

φ₁ = (0,8 + 0,059/1) lg0,001 = 0,8 + 0,059 (-3) = 0,62В

φ₂ = (0,8 + 0,059/1) lg0,1 = 0,8 + 0,059 (-1) = 0,74В

Е = φ_к – φ_А = 0,74 – 0,62 = 0,12В

Поскольку φ₁< φ₂ , то левый электрод будет служить отрицательным полюсом элемента и электроны будут перемещаться во внешней цепи от левого электрода к правому.

Экспериментальная часть

Общие требования. Выписать значения стандартных электродных потенциалов из ряда напряжения, сделать выводы о возможности протекания реакций, составить уравнения реакций. Для опытов № 2 и 3 составить схемы гальванических элементов и написать процессы, протекающие на катоде и аноде.

Опыт № 1. Влияние значений электродных потенциалов на возможность протекания реакций вытеснения.

Одну пробирку заполнить раствором сульфата меди и опустить в неё кусочек цинка. Другую пробирку - раствором сульфата цинка и опустить в неё зачищенную медную проволочку. В какой из двух пробирок протекает реакция вытеснения?

Опыт № 2. Влияние образования макрогальванопары на растворение цинка в серной кислоте.

В пробирку с кусочком цинка налить 6 капель разбавленной серной кислоты. Наблюдать замедленное выделение водорода. Опустить в пробирку до касания с цинком зачищенную медную проволочку. Наблюдать бурное выделение водорода на поверхности медной проволоки вследствие образования макрогальванопары Zn/H₂SO₄/Cu.

Опыт № 3. Влияние образования макрогальванопары на растворение меди в серной кислоте.

В пробирку налить 5-6 капель разбавленной серной кислоты и опустить в неё кусочек цинка. Наблюдать выделение водорода. Добавить 2-3 капли раствора сульфата меди. Наблюдать образование меди на поверхности цинка по реакции: Zn + CuSO₄ = Cu + ZnSO₄

Вопросы к защите лабораторной работы

Может ли серебро вытеснять медь из раствора сульфата меди, нитрата цинка?

Какой из полуэлементов Zn⁰ / Zn²⁺ и Cu²+/ Cu⁰ в гальванопаре будет являться катодом? Анодом?