Описание прибора

Гальваническими элементами называются устройства, в которых химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию за счет различия величин электродных потенциалов двух электродных реакций.

Наиболее простой цинково-медный гальванический элемент был создан Даниэлем и Якоби. Схема его представлена на рис.8.1.

5

3

2

1

2

4

Рис.8.1. Схема гальванического элемента Даниэля ─ Якоби:

1 ─ Стаканы с растворами: сульфата цинка (а); сульфата меди (б); 2 ─ цинковый и медный электроды; 3 ─ электролитический ключ; 4 ─ токопроводящая проволока; 5 ─ гальванометр

Элемент устроен и работает следующим образом: в два сосуда с растворами (ZnSO₄, CuSO₄) опущены цинковая и медная проволоки (электроды) соответственно, которые соединены медной проволокой.

Величины стандартных электродных потенциалов цинка и меди соответственно равны Zn/Zn ²⁺ = ─ 0,76 В, Cu/Cu ²⁺ = +0,34 В и указывают, что на поверхности цинка, как более активного металла, больше электронов, чем на меди. При погружении в сосуды электролитического ключа (U-образной трубки, соединяющей сосуды между собой), наполненного электролитом, электроны с цинкового электрода будут перемещаться к медной пластине, при этом замкнется внешняя электрическая цепь.

Цинковый электрод начнет окисляться, посылая ионы Zn²⁺ в раствор:

Zn – 2ē= Zn²⁺.

Прибывшие на медный электрод электроны будут восстанавливать ионы меди, находящиеся в растворе: Сu²⁺ + 2ē = Сu°, атомы меди осаждаются на электроде. Медный электрод является катодом, цинковый ─ анодом.

Ионы , оставшиеся после восстановления ионов меди, будут перемещаться по электролитическому ключу в сосуд с сульфатом цинка в эквивалентном количестве с образующимися ионами цинка и замкнут электрическую цепь.

Суммарный процесс, протекающий на электродах, можно изобразить общим уравнением:

Zn⁰ + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu⁰ .

Гальванический элемент будет работать до тех пор, пока не сравняются потенциалы медного и цинкового электродов. Работа элемента Даниэля – Якоби опишется схемой:

(─) Zn/ZnSO₄//CuSO/Cu(+) .

Для определения электродвижущей силы (ЭДС) гальванического элемента надо из потенциала катода вычесть потенциал анода. Величина ЭДС медно-цинкового гальванического элемента для стандартных условий составит:

0,34 ─ (─ 0,76) = 1,1 (В).

Практическая часть

Опыт №1. Активность металлов в растворах электролитов

В три пробирки внесите растворы указанных солей. Опустите во все пробирки, хорошо зачищенные данные металлы. Составьте электронные уравнения протекающих реакций. Сделайте вывод о течении их с точки зрения электродных потенциалов металлов или о невозможности протекания других реакций.

Соли Металл

1. Pb(NO₃)₂, CuCl₂, ZnSO₄ железо

2. CuSO₄, BaCl₂, FeSO₄ цинк

3. Pb(NO₃)₂, CuCl₂, MgCl₂ алюминий

4. Hg(NO₃)₂, NaCl, CuSO₄ олово

5. Hg(NO₃)₂, FeSO_4, ZnSO₄ медь

6. CuSO_4, K₂CrO₄, Na₂CO₃ магний

7. Hg(NO₃)₂, NaCl, CuSO₄ свинец

8. CuSO_4, K₂CrO₄, Na₂CO₃ цинк

Опыт №2. Работа гальванического элемента Даниэля – Якоби

Приготовьте раствор сульфата цинка нужной концентрации путем разбавления имеющегося раствора ZnSO₄ концентрации 2н водой в мерном цилиндре (например, для приготовления раствора 0,1н надо разбавить в 2:0,1= 20 раз. Это можно сделать в два этапа: 1) разбавить в два раза, налив воды и раствора сульфата цинка поровну;

2) полученный раствор разбавить в 10 раз, для этого налить в мерный цилиндр 1 мл раствора и долить воды до 10 мл.

Соберите гальванический элемент по схеме, изображенной на рисунке 8.1. Для этого налейте в один стакан, чуть-чуть не доходя до края, раствор сульфата цинка указанной концентрации, а в другой ─ столько же раствора сульфата меди указанной концентрации.

Заполните электролитический ключ ( изогнутую стеклянную трубочку) раствором сульфата калия так, чтобы в трубочке не было воздушных пузырей, которые разомкнут электрическую цепь. Соедините оба стакана заполненным электролитическим ключом следующим образом: плотно закрыв пальцем один конец трубочки, другой опустите в стакан с раствором соли, быстро опустите второй конец в другой стакан. Если электролит выльется из трубочки в процессе погружения, то эту операцию необходимо повторить.

В раствор сульфата цинка опустите хорошо зачищенный цинковый электрод, в сульфат меди ─ медный электрод. Наблюдайте отклонение стрелки вольтметра. Напишите уравнения анодного и катодного процессов. Рассчитайте электродные потенциалы с учетом указанных концентраций по уравнению Нернста, ЭДС гальванического элемента. Сравните его значение с показанием вольтметра.

1. Zn/ZnSO₄ (0,2 н)//CuSO₄(2h)/Cu 5. Zn/ZnSO₄ (0,025н)//CuSO₄(2н)/Cu

2. Zn/ZnSO₄, (0,125 h)//CuSO₄ (2h)/Cu 6. Zn/ZnSO₄(0,04н)//CuSO₄(2н)/Cu

3. Zn/ZnSO₄ (0,4 h)//CuSO₄(2h)/Cu 7. Zn/ZnSO₄ (0,02н)//CuSO₄(2н)/Cu

4. Zn/ZnSO₄ (0,5н)/CuSO₄(2н)/Cu 8. Zn/ZnSO₄ (0,2н)//CuSO₄(1н)/Cu

Опыт №3. Работа концентрационного гальванического элемента

В качестве электродов используется один и тот же металл, опушенный в раствор соответствующей соли.

1. Fe/FeSO₄(2M)//FeSO₄(0,1н)/Fe

1. Al/Al₂(SO₄)₃(0,3M)//Al₂(SO₄)₃(0,03н)/Аl

2. Co/CoSO₄(4н)/Со//СоSO₄(0,02M)

3. Ag/AgNO₃(2н)//AgNO₃(0,5M)/Ag

4. Cd/CdSO₄(0,8M)//CdSO₄(0,04н)/Cd

5. Mn/MnSO₄(0,5н)//MnSO₄(0,5M)/Mn

6. Bi/Bi(NO₃)₃(3н)//Bi(NO₃)₃(0,006M)/Bi

7. Mg/MgSO₄(0,01M)//MgSO₄(0,0002н)/Mg