11. Основы электрохимии. Гальванические элементы Лабораторная работа

Цель работы

Определение ЭДС гальванических элементов и расчет работы, изме­нения свободной энергии Гиббса и константы равновесия реакций, протекающих в гальванических элементах.

Оборудование и реактивы

Милливольтметр. U-образный электролитический мостик. Химиче­ские стаканы. Пробирки. Пластинки меди, цинка, железа, свинца. Растворы: хлорида калия (насыщ.), сульфата меди(II) (1 М), сульфа­та цинка (1 М, 0,1 М, 0,01 М), сульфата железа(II) (1 М), хлорида олова(II) (1 М), хлорида кадмия (1 М), нитрата серебра (0,1 М).

ОПЫТ 1. Сравнительная активность металлов

Налить в отдельные пробирки по 1 мл растворов солей цинка, железа(П), олова, кадмия, меди(П) и серебра. Опус­тить в растворы (кроме раствора с одноименными ионами) пластинки металлического цинка. Отметить наблюдения. По­вторить опыты с пластинками железа, свинца и меди. Из каких растворов вытесняются металлы? Написать уравнения со­ответствующих реакций. Записать металлы по убыванию их восстановительной способности, определенной эксперимен­тально. Выписать значения их стандартных электродных по­тенциалов. Соответствует ли эксперимен­тальный ряд металлов их положению в электрохимическом ряду напряжений?

ОПЫТ 2. Измерение ЭДС гальванического элемента и определение ΔG в окислительно-восстановительной реакции

Собрать гальванический элемент по схеме:

(-) Zn|ZnSO₄ || CuSO₄|Cu(+)

1M 1M

при заданных концентрациях солей ZnS0₄ и CuS0₄.

В указанном гальваническом элементе протекает про­цесс:

Zn + Сu²⁺ = Zn²⁺ + Сu

Для этого в стаканы с растворами солей металлов опус­тить пластины соответствующих металлов, замкнуть полуэле­менты солевым мостиком и соединить электроды с помощью проводников с милливольтметром. Измерить ЭДС после уста­новления стационарного значения напряжения на шкале при­бора.

Сравнить опытные данные с теоретически вычисленными. Определить процент ошибки.

По найденному значению ЭДС гальванического элемента рассчитать изменение энергии Гиббса в окислительно-восста­новительной реакции.

Результаты измерений и рассчитанные данные предста­вить в форме протокола:

Концентрация раствора ZnSO₄, моль/л ...

Концентрация раствора CuSO₄, моль/л ...

ЭДС_эксп медно-цинкового элемента, В ...

ΔG_эксп, Дж …

ЭДС_теор, медно-цинкового элемента, В ...

Погрешность П, % ...

ΔG_теор, Дж ... .

Погрешность П, % ...

ОПЫТ 3. Исследование зависимости ЭДС гальванического элемента от концентрации соли

Работу проводят с гальваническим элементом

Zn° | Zn²⁺|| Си²⁺ ‌‌‌| Си⁰

В стакан налить -10—20 мл 1 М раствора CuSO₄, концент­рация которого в ходе измерений не изменяется. В остальные стаканы налить растворы ZnSO₄ в порядке возрастания кон­центрации (0,01, 0,1 и 1 М). В раствор CuSO₄ опустить медный электрод; цинковый электрод опустить в раствор ZnSO₄ на­именьшей концентрации. Полуэлементы соединить солевым мостиком и измерить ЭДС гальванического элемента с по­мощью милливольтметра.

Не отключая милливольтметр, перенести цинковый электрод и соответствующий конец солевого мостика в более концентрированный раствор ZnSO₄ и снова измерить ЭДС, затем тоже проделать с 1 М раствором ZnSO₄.

Результаты измерений и рассчитанные данные записать в таблицу по форме:

CCu2' моль/л	CZn2+' моль/л	ΔЕэксп, В	ΔGэксп, В	ΔЕтеор, В	ΔGтеор, В	П, %
1	1
	0,1
	0,01

Какой из факторов — природа металла или концентрация его ионов в растворе в большей мере определяет значение электродного потенциала металла и, следовательно, ЭДС галь­ванического элемента?

Контрольные вопросы и упражнения

1. Вычислить электродный потенциал серебра, опущенного в раствор его соли концентрацией 0,001 моль/л.

2. Составить схему работы гальванического элемента, составленного из пластин железа и свинца, опущенных в растворы их солей кон­центрацией 0,002 моль/л. Рассчитать ЭДС элемента и изменение свободной энергии Гиббса.

3. В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней цепи следующих гальванических элементов: a) Mg | Mg²⁺' || Pb²⁺ | Pb;

б) Сu | Сu²⁺ || Ag⁺ | Ag, если все растворы электролитов одномоляр­ные? Какой металл будет растворяться в каждом из этих случаев?

4. Вычислить потенциал водородного электрода, погруженного:

а) в дистиллированную воду; б) в раствор с рН 4; в) в раствор с рН11.

5. Электродвижущая сила элемента, состоящего из медного и свин­цового электродов, опущенных в молярные растворы соответст­вующих солей, равна 0,47 В. Изменится ли ЭДС, если взять рас­творы с концентрацией 0,001 моль/л? Ответы подтвердить расче­том.

6. В гальваническом элементе, состоящем из нормального медного по­луэлемента и нормального цинкового полуэлемента, растворилось 0,65 г цинка. Определить работу А (Дж) данного гальванического элемента.