- •Лабораторный практикум по химии Учебное пособие
- •Владивосток
- •Химические элементы
- •Простые вещества
- •Кислоты
- •Лабораторная работа № 1 классы неорганических соединений
- •Кислоты
- •Генетическая связь между классами неорганических соединений
- •Экспериментальная часть
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2 определение молярной массы эквивалента металла
- •Экспериментальная часть
- •Упругость водяных паров
- •Лабораторная работа № 3 комплексные соединения
- •Лабораторная работа № 4 кинетика химических реакций
- •Лабораторная работа № 5 определение концентрации растворов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 7
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 8 окислительно-восстановительные процессы
- •Лабораторная работа № 9
- •Лабораторная работа № 10
- •Лабораторная работа № 11
- •Опыт 4. Коррозия в результате неравномерного доступа кислорода.
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 12
- •Экспериментальная часть
- •Лабораторная работа № 13
- •Характеристика отдельных полимеров
- •Контрольные вопросы
- •Приложение
- •Растворимость солей и оснований в воде
- •Содержание
Лабораторная работа № 9
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Цель работы: измерить фактическую ЭДС гальванического элемента. Рассчитать ЭДС теоретическую и стандартную.
Гальванические элементы – это химические источники тока, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций непосредственно превращается в электрическую.
Любой металл (проводник 1-го рода), погруженный в раствор электролита, называется электродом, а разность электростатических потенциалов, возникающая на границе между металлом и раствором, называетсяэлектродным потенциалом.
Величина электродного потенциала зависит от химической активности металла, концентрации (активности) ионов металла в растворе, температуры, числа электронов и определяется уравнением Нернста:
, (12)
где |
|
– |
стандартный электродный потенциал, В; |
|
R |
– |
газовая постоянная, равная 8,314 Дж/мольК; |
|
n |
– |
число электронов, участвующих в электродном процессе; |
|
Т |
– |
абсолютная температура, К; |
|
F |
– |
постоянная Фарадея, 96485 Кл/моль; |
|
|
– |
активность иона металла (концентрация). |
Подставив в формулу(12) числовые значения R,T,Fи, заменив натуральный логарифм десятичным, получим:
, (13)
где – активность иона металла (концентрация).
Если два электрода, химическая активность металлов которых различна (например, цинк и медь), поместить в растворы собственных солей и соединить внешним проводником, то во внешней цепи можно зарегистрировать электрический ток (с помощью гальванометра). При этом металл с большей химической активностью (цинк) будет переходить в раствор, т. е. окисляться. Этот электрод называетсяанодоми имеет знак (–). Электроны накапливаются на аноде и заряжают его отрицательно.По внешнему проводнику электроны будут перемещаться к менее активному металлу (меди), и произойдет разряд ионов меди, т. е. восстановление. Этот электрод называется катодом и имеет знак (+).
Суммарная окислительно-восстановительная реакция, протекающая на электродах, называется токообразующей.
Гальванические элементы(ГЭ) – это системы, в которых электрический ток возникает за счет превращения энергии химических реакций в электрическую.
ГЭ принято записывать в виде схемы. Например, схема медно-никелевого элементазаписывается таким образом:
-
A (–)
NiNiSO4CuSO4Cu
(+) K
(
–0,25 B; + 0,34 B.
Электродные процессы:
-
A (–)
–
анодное окисление;
K (+)
–
восстановление на катоде;
–
токообразующая
реакция.
(
ГЭ «работает» тем активнее, чем больше разность потенциалов электродов, его образующих. Работу ГЭ можно оценить величиной его электродвижущей силы (ЭДС) Е. Она равна разности потенциалов катода и анода:
. (14
Стандартную ЭДС гальванического элемента можно рассчитать, зная энергию Гиббса () токообразующей реакции:
, (15)
где |
n |
– |
число электронов; |
|
|
F |
– |
постоянная Фарадея, 96485 Кл/моль; |
|
|
=продуктов реакции – исходного вещества (кДж/моль). |
Например, рассчитаем ЭДС и стандартную ЭДС медно-никелевого элемента (3), если:
концентрация – 0,01 моль/л, а– 1 моль/л;
– 64,4 кДж/моль,64,98 кДж/моль.
По формуле (2) рассчитаем электродный потенциал медного электрода:
= + 0,34 – 0,059 = 0,281 В.
Потенциал никелевого электрода равен его стандартному электродному потенциалу, так как концентрация – 1 моль/л.
–0,25 В.
По формуле (14) ЭДС гальванического элемента будет:
ЕТеор. = Еk – Еa= 0,281 – (–0,25) = 0,53 В;
теоретическая ЭДС по формуле (14) для токообразующей реакции будет:
ЕТеор. = 0,281 – (–0,25) = 0,53 В;
стандартная ЭДС по формуле (15) для токообразующей реакции будет:
Для точного измерения ЭДС используют компенсационный метод. Прямое измерение приводит к определению напряжения, которое всегда меньше, чем ЭДС, из-за поляризации электродов и омических потерь.
U = E – IR – E,
где |
U |
– |
напряжение гальванического элемента; |
|
E |
– |
ЭДС; |
|
I |
– |
сила тока; |
|
R |
– |
омическое сопротивление проводников первого и второго рода; |
|
E |
– |
поляризация катода и анода. |
Более простой, но менее точный метод измерения ЭДС заключается в прямом измерении напряжения на клеммах гальванического элемента вольтметром, имеющим высокое омическое сопротивление. При этом мала сила тока, протекающая через элемент, поэтому невелика разница между ЭДС и напряжением элемента.
Экспериментальная часть
Выполнение работы:
Соберите ГЭ из двух металлических электродов: первый – Cu/Zn, второй – Cd/Zn.Металлические стержни тщательно зачистите наждачной бумагой и опустите в стаканчики с растворами их солей. Места спая не должны касаться раствора. Соедините стаканчики жидкостным электролитическим мостиком (изогнутая стеклянная трубка, заполненная электролитом).
Концентрации растворов: – 0,1 моль/л;– 1 моль/л;– 0,1 моль/л.
Подсоедините ГЭ к вольтметру и запишите показания прибора.
Для всех исследуемых элементов:
а) запишите схему ГЭ (3);
б) запишите уравнения электродных процессов и токообразующей реакции;
в) по уравнению Нернста рассчитайте величины равновесных потенциалов электродов (13);
г) рассчитайте теоретическую ЭДС (14);
д) по термодинамическим данным рассчитайте стандартную энергию Гиббса токообразующей реакции и стандартную ЭДС (15):
= 64,98 кДж/моль;= –147,21 кДж/моль;
= –77,74 кДж/моль.
6. Полученные данные сведите в таблицу:
Гальванический элемент |
Еэкспер |
Етеор |
Е0станд |
Cu/Zn |
|
|
|
7. Сделайте вывод о проделанной работе.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение электродного потенциала и объясните механизм его возникновения на границе металл – раствор электролита.
2. От каких факторов зависит величина электродного потенциала? Запишите формулу Нернста и определите потенциалы медного, никелевого, серебряного, литиевого, магниевого электродов, погруженных в 0,1; 0,01 М растворы своих солей.
3. Дайте определение ГЭ и на примере объясните принцип его работы.
4. Как определяется анод и катод в ГЭ? Запишите электродные процессы для следующих гальванопар: Ag/Ni;Li/Cd;Cu/Mg;Zn/Ca;Cu/Hg;Ag/Ca.
5. Какие реакции называются токообразующими? Для указанных в п. 4 гальванопар запишите уравнения токообразующих реакций.
6. Как можно рассчитать ЭДС ГЭ теоретически? Рассчитайте стандартные ЭДС, используя: а) значения стандартных потенциалов;
б) термодинамические функции ионов для следующих реакций:
; |
; | ||||||
; |
; | ||||||
|
= |
–77,74 |
кДж/моль; |
|
= |
77,11 |
кДж/моль; |
|
= |
–456,1 |
кДж/моль; |
|
= |
–533,0 |
кДж/моль; |
|
= |
–293,0 |
кДж/моль; |
|
= |
–64,4 |
кДж/моль; |
|
= |
164,77 |
кДж/моль; |
|
= |
64,98 |
кДж/моль. |
7. Почему напряжение ГЭ всегда меньше ЭДС?