Khimia / Химия / ХИМИЯ НОВЫЕ ЛАБЫ / лаба 13 / 1

Министерство образования Российской Федерации

Владимирский Государственный Университет

Кафедра Химии

Лабораторная работа по общей и неорганической химии №13

"Гальванические элементы"

Выполнил:

Студент группы Хб-108

Листвина А. А.

Проверил:

Преподаватель

Орлин Н.А.

2009

Теоретическая часть:

Если поместить металл в воду, то под действием полярных молекул воды ионы металла с его поверхности отрываются и в гидратированном виде переходят в раствор, При этом «растворении» на самом металле появляется избыток электронов, придающих ему отрицательный заряд, а слой жидкости у поверхности металла заряжается положительно.

Таким образом, между Ме и окружающей его водной средой возникает некоторая разность потенциалов, то есть на границе раздела металл – раствор возникает скачок потенциалов (поверхность металла имеет заряд (-) – избыток свободных электронов, а слой жидкости у поверхности – (+), обусловленный положительными ионами металла, перешедших в раствор). Величину этого скачка потенциалов принято называть электродным потенциалом данного металла.

Электродный потенциал металла, соответствующий состоянию равновесия, при котором скорость перехода ионов в раствор равняется обратному процессу их осаждения на металл, называется равновесным потенциалом.

Из-за невозможности измерения абсолютных значений электродных потенциалов металлов пользуются их относительными значениями, определенными методом сравнения. В качестве электрода-эталона, с потенциалом которого сравнивают потенциалы металлов, принят водородный электрод.

Он состоит из пластины, покрытой порошком платины для создания рыхлой поверхности и насыщенный водородом. Это пластина, опущенная в емкость с раствором серной кислоты, активная концентрация ионов водорода которой равна 1 моль/л.

В емкость с кислотой пропускают водород под давлением 1 атм и при температуре 25 °С. В данном случае с раствором кислоты соприкасается не платиновая пластина, а слой адсорбированного на ней водорода.

С данного водородного электрода в раствор переходят положительно заряженные ионы водорода аналогично, как и ионы металла с металлического электрода, а на электроде накапливается избыток электронов. На границе раздела электрод – раствор возникает разность потенциалов, названная потенциалом стандартного водородного электрода. Ее величину принимают за нулевое значение и обозначают: φ°_2Н+/Н2 = 0,0В.

Для определения стандартных потенциалов металлов методом сравнения собирают гальванический элемент, состоящий из стандартного водородного электрода и электрода данного металла. Замеренная гальванометром ЭДС во внешней цепи гальванического элемента дает значение, оно равно разности водородного электрода и электрода данного металла, а отсюда выявляют значение стандартного электродного потенциала данного металла (поскольку φ°_2Н+/Н2 = 0,0 В).

Стандартный электродный потенциал является очень важной характеристикой металла. Он характеризует прочность связи между ионом Ме и его валентными электронами. Чем меньше алгебраическая величина стандартного электродного потенциала, тем слабее эта связь, тем больше способность атомов металла отдавать электроны, следовательно, больше его химическая активность.

Если активная концентрация иона металла в растворе соли электролита не равна 1 моль/л, то при погружении металла в такой раствор его потенциал не будет равен стандартной величине.

Для расчета таких равновесных потенциалов применяют формулу, предложенную в 1888 году немецким физикохимиком В. Нернстом. В общем виде формула выглядит так:

Для водородного электрода:

Гальваническими элементами называют устройства, в которых химическая энергия превращается в электрическую. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух электродов с разными значениями потенциалов.

ЭДС = φ_катода – φ_анода

Опыт №1. Определение ЭДС биметаллического (медно-цинкового) гальванического элемента.

Приготовили 50 мл 0,1 М раствора сульфата меди (II) из 1 М раствора. Для этого расчетное количество 1 М раствора отмерить пипеткой или мерным цилиндром, перевести в мерную колбу на 50 мл и довести до метки дистиллированной водой.

CuSO₄ 50 мл 0,1 M из 1M

5 мл 1M

45 мл H₂O

Аналогично приготовили 50 мл 0,005 М раствора сульфата цинка из 0,05 М раствора.

ZnSO4 50 мл 0,005 M из 0,05

5 мл 0,05 M

45 мл H₂O

Приготовленные растворы налили в стакан на 50 мл. Собрали гальванический элемент, опустив медную пластину в раствор сульфата меди, цинковую – в раствор сульфата цинка. полученные таким образом электроды для замыкания внутренней электрической цепи соединив электрическим ключом (изогнутая стеклянная трубка с раствором хлорида калия). Во внешнюю цепь гальванического элемента включен измерительный прибор – потенциометр.

При замыкании потенциометр показывал разность потенциалов катода и анода, которая отсутствии тока во внешней цепи составляет ЭДС гальванического элемента. Измеренное значение ЭДС является практическим значением ЭДС.

CuSO₄

ZnSO₄

Zn

Cu

A

K

KCl

потенциометр.

ЭДС_прак.=1,14 В

Рассчитали теоретическое значение ЭДС данного гальванического элемента. Для этого рассчитать по уравнению Нернста потенциалы медного и цинкового электродов, учитывая, что коэффициент активности 0,1 М раствора сульфата меди f=0,16, а 0,005 М раствора сульфата цинка f=0,48. По величинам расчетных потенциалов определили катод и анод: катодом является медная пластина, а анодом – цинковая. Рассчитали теоретическое значение ЭДС по формуле ЭДС=φ_к-φ_а.

ЭДС=φ_к-φ_а

φ=С_м f

φ⁰ _Zn=-0,76

φ⁰ _Cu=+0,34

φ _Cu= φ⁰ _Cu+lgC_M f=0,34+0,0295*lg0,16*0,1=0.287 B

φ _Zn= φ⁰ _Zn+lgC_M f=-0,76+0,0295*lg0,48*0.005=-0,837 B

ЭДС_т=1,117 В

Рассчитаем относительную ошибку опыта.

η=%=3,3%

А: Zn-2e=Zn²⁺

K: Cu²⁺+2e=Cu

A; (-) Zn/ZnSO₄,║, CuSO₄ (+); K

Опыт №2. Определение ЭДС концентрационного гальванического элемента.

Из 10 мл 0,05 М раствора сульфата меди (II) и 40 мл воды приготовлено 50 мл 0,01 М раствора сульфата меди (II). В качестве второго раствора взят приготовленный в первом опыте 0,1 М раствор сульфата меди (II). Из этих двух растворов собран гальванический элемент с медными электродами.

φ_{1 Cu} = 0,34 + 0,059/2 * lg(0,43 * 0,01) = 0,027 B

φ_{2 Cu} = 0,29 B (из первого опыта)

ЭДС = 0,02 В

Сu / 0,01 М СuSO₄ // 0,1 M CuSO₄ / Cu

Cu⁰ – 2e = Cu²⁺

Cu²⁺ + 2e = Cu⁰

Вывод: Работа концентрационного гальванического элемента возможна до тех пор, пока, в процессе работы, не растворится электрод анода, или же, если электрод достаточно большой, до выравнивания концентраций в растворах.