Лабораторная работа № 5.1
Определение электродвижущей силы и максимально - полезной работы медно-цинкового элемента
Цель работы. Экспериментальное определение ЭДС медноцинкового элемента. Расчет максимальной полезной работы этого элемента по найденной величине ЭДС. Изучение зависимости этих величин от концентрации ионов металла в растворе.
Оборудование.
1.Высокоомный милливольтметр.
2.Медный и цинковый электроды.
3.Электрохимическая ячейка (гальванический элемент).
Реактивы.
1.Растворы ZnSO4 и CuSO4 различных концентраций.
2.Насыщенный раствор КСl (промежуточный раствор).
3.Дистиллированная вода (для ополаскивания электродов и ячейки).
4.Фильтровальная бумага (для высушивания электродов).
Суть работы. Гальванический элемент состоит из двух электродов и условно записывается следующим образом:
(-)Zn/ZnSO4(C1)//CuSO4(C2)/Cu(+)
Растворы соединяются солевыми мостиками через промежуточный раствор хлористого калия (мостики также заполнены раствором КСl). При замыкании цепи электроны с одного металла (более активного) «перетекают» к другому (менее активному) и передаются соответствующим ионам металла в растворе. Равновесные электродные процессы смещаются в одну
сторону. Для приведенного элемента:
Zn – 2e → Zn2+ (на аноде)
Сu2+ +2e → Cu (на катоде)
Суммарная электрохимическая реакция
Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
Таким образом, электрическая энергия, вырабатываемая гальваническим элементом, возникает за счет протекания в нем окислительновосстановительной реакции, в которой процессы окисления и восстановления пространственно разделены. ЭДС элемента может быть определена в соответствии с уравнением Нернста.
Медный и цинковый электроды относятся к электродам первого рода, потенциалы которых определяются уравнением (5):
ϕ |
|
2+ |
|
0 |
=ϕ0 |
2+ |
|
0 |
+ |
0,059 |
lg a |
|
2+ |
(8) |
Zn |
/ Zn |
/ Zn |
|
Zn |
||||||||||
|
|
|
Zn |
|
|
2 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
36
ϕ |
|
2+ |
|
0 |
=ϕ0 |
2+ |
|
0 + |
0,059 |
lg a |
|
2+ , |
Cu |
/ Cu |
/ Cu |
|
Cu |
||||||||
|
|
|
Cu |
|
2 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
а возникающая в нем ЭДС (Е) в соответствии с уравнением (1) представляет разность потенциалов этих электродов, т.е.
Е =ϕCu2+ / Cu0 −ϕZn2+ / Zn0
Принимая во внимание уравнение (8) и сделав соответствующие математические преобразования, получим уравнение для расчета ЭДС медно-цинкового элемента:
Е = |
Е0 + |
0,059 |
lg |
aCu2 |
+ |
|
(9) |
||
2 |
|
|
|
||||||
|
|
|
a |
Zn |
2 |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Е0 =ϕ0 Сu2+ / Cu0 −ϕ0 Zn2+ / Zn0 |
- ЭДС при стандартных условиях, В; |
|
|||||||
ϕ0 Сu2+ / Cu0 = +0,34B (табличноезначение)
ϕ0 Zn2+ / Zn0 = −0,76B (табличноезначение)
При обратимом протекании электрохимической реакции вырабатывается наибольшее количество электрической энергии, и системой со-
вершается максимальная полезная работа, равная |
убыли изобарно- |
изотермического потенциала (∆G): |
|
Амах = -∆G = nFE |
(10) |
где n- число электронов, участвующих в электрохимической реакции; F – постоянная Фарадея, 96500Кл/моль;
Е – электродвижущая сила элемента, В.
Поскольку [Кл] = А . с, [B] = Вт/А, а [Вт] = Дж/с, рассчитанная по уравнению (10), работа выражается в Дж/моль.
Выполнение работы. Для экспериментального определения ЭДС медно-цинкового элемента составляется гальванический элемент, схематично представленный на рис. 1.
(-) |
1 |
2 |
(+) |
|
Zn |
|
Cu |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ZnSO4 |
|
KCl |
|
CuSO4 |
|||
Рис. 1. Схема электрохимической ячейки для определения ЭДС медно-цинкового элемента.
1, 2 – солевые мостики, заполненные насыщенным раствором КСl.
37