2. Определение стандартной эдс химического гальванического элемента.

2.1. Ход и данные опыта.

Собрали медно-цинковый гальванический элемент, налив в два химических стакана до 2/3 объема 1 М растворы солей: в один – ZnSO₄, в другой – СuSO₄. Погрузили в них протравленные электроды: цинковый – в ZnSO₄, медный – в CuSO₄. Соединили электролиты в стаканах электролитическим мостиком (U‑образная стеклянная трубка, заполненная раствором КCl). Подсоедините электроды к вольтметру и записали значение ЭДС.

2.2. Расчет, наблюдение и анализ данных.

Схема гальванического элемента в молекулярной форме:

А(-) Zn|1M ZnSO₄||1M CuSO₄| Cu (+)K

Схема гальванического элемента в ионной форме:

A(-) Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu (+)K

Уравнения анодно-катодных процессов:

А: Zn – 2eZn²⁺

К: Cu + 2e Cu²⁺

Zn + Cu²⁺ Zn²⁺ + Cu - суммарное уравнение токообразующей реакции.

Е_экс = 1,06 В

Для расчета ЭДС реакции используем стандартные значения потенциалов, т.к. растворы одномолярны.

Е⁰ = ф_к⁰ – ф_а⁰ = ф⁰Cu²⁺|Cu - ф⁰Zn²⁺|Zn = 0,34 B – (-0,76 B) = 1,1 B

Е⁰ > Е_экс

∆G⁰ = -n ∙ F ∙ E_пр = -2 ∙ 96500 ∙ 1,06 (Дж) = -204580 Дж

А_М = -∆G⁰ = 204580 Дж

lgK_p = n ∙ E_пр / 0,059 = 36

K_p = 10³⁶

Рассчитаем ЭДС исследуемого элемента при концентрациях растворов:

а) 0,001 М ZnSO₄ и 1 М СuSO₄; б)1 М ZnSO₄ и 0,001 M СuSO₄.

а) ф⁰Cu²⁺|Cu = 0,337 В

ZnSO₄ Zn²⁺ + SO₄^2-

C_Zn2+ = nαC_M = 0,001 моль/л

фZn²⁺|Zn = ф⁰Zn²⁺|Zn + 0,059/n ∙ lgC_Zn2+ = -0,763 – 0,0885 = -0,8515 B

Е^(а) = ф⁰Cu²⁺|Cu - фZn²⁺|Zn = 0,337 + 0,8515 = 1,1885 В

б) ф⁰Zn²⁺|Zn = -0,763 В

CuSO₄ Cu²⁺ + SO₄^2-

C_Cu2+ = nαC_M = 0,001 моль/л

фCu²⁺|Cu = ф⁰Cu²⁺|Cu + 0,059/n ∙ lg C_Cu2+ = 0,337 – 0,0885 = 0,2485 B

E^(б) = фCu²⁺|Cu - ф⁰Zn²⁺|Zn = 0,2485 + 0,763 = 1,0115 В

Е⁰ < Е^(а) Е⁰ > E^(б)

Если уменьшить концентрацию раствора электролита в анодном пространстве, то ЭДС возрастет.

Если уменьшить концентрацию раствора электролита в катодном пространстве, то ЭДС уменьшится.

Если Zn- и Cu-электроды поместить в один и тот же раствор серной кислоты, то возле медного электрода начнет восстанавливаться молекулярный водород. Данный гальванический элемент, является гальваническим элементом типа Вольта.

Схема г. э. типа Вольта:

А(-) Zn | H₂SO₄ , H₂O | Cu (+)K

A: Zn – 2e Zn²⁺

K: 2H⁺ + 2e H₂

Из-за химической поляризации происходит постепенное уменьшение ЭДС. Для того, чтобы уменьшить воздействие поляризации нужно удалить водород из пространства медного электрода. Это можно сделать перемешивая раствор электролита.

2.3 Вывод: эдс гальванического элемента зависит от природы электродов, от концентрации потенциалопределяющих ионов, от степени поляризации и процессов связанных с её устранением.

3. Электролиз растворов солей на инертных электродах.

3.1. Электролиз сульфата меди.

3.1.1. Ход и данные опыта.

Наполнили электролизер 0,5 М раствором CuSO₄ (рH=7). Соединили графитовые электроды с источником постоянного тока: катод к минусу (–), анод к плюсу (+) и пропустили ток напряжением 20 В в течение 2 мин. На аноде выделился газ. На катоде - медь. pH раствора в анодном пространстве уменьшился до 5.

3.1.2. Расчет, наблюдение и анализ данных.

Схема электролиза раствора CuSO₄:

C | CuSO₄ , H₂O | C

катод Cu²⁺, SO₄^2-, H₂O анод

pH=7

K (-) A (+)

Cu²⁺ Cu²⁺ + 2e = Cu SO₄^2- 2H₂O – 4e = O₂ + 4H⁺

H₂O H₂O pH < 7

Медь выделилась на катоде, если pH < 7, значит

т.к. медь – малоактивный металл. выделился кислород.

Вторичные процессы

(в растворе)

4H⁺ + 2SO₄^2- 2H₂SO₄

Суммарное уравнение электролиза:

2CuSO₄ + 2H₂O 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

Катод покрылся медью, т.к. ионы меди положительно заряжены, а катод - отрицательно. Ионы меди устремляются к катоду, присоединяют недостающие электроны и образуют атомы меди.

На аноде выделился кислород, т.к. pH раствора уменьшилось, что свидетельствует о увеличении концентации ионов H⁺.

Кислородсодержащие ионы SO₄^2– на аноде в водном растворе не окисляются.