Гальванические элементы

Цель работы: опытным путем исследовать активность металлов и изучить анодный и катодный процессы, протекающие в гальваническом элементе.

Теоретическая часть.

Количественной характеристикой активности (способности отдавать электроны) являются значения потенциала ионизации и стандартного электродного потенциала. Электродный потенциал-это скачок потенциала, возникающий на границе металл/раствор электролита.

Стандартный электродный потенциал - это не абсолютное значение потенциала, а значение его относительно потенциала нормального водородного электрода, условно принятого за нуль, если концентрации всех участвующих веществ равны 1 моль/л.

Если расположить металлы в ряд в порядке возрастания их стандартных потенциалов, то получим ряд напряжений металлов (см. табл.8.1)

Таблица 8.1. Стандартные потенциалы металлов. Ряд напряжений.

Электрод	Потенциал, В	Электрод	Потенциал, В
Li/Li^+	-3,045	Co/Co^2+	-0,277
К/К^+	-2,924	Ni/Ni^2+	-0,250
Са/Са^2+	-2,866	Sn/Sn^2+	-0,136
Na/Na^+	-2,714	Pb/Pb^2+	-0,126
Mg/Mg^2+	-2,363	Fe/Fe^3+	-0,037
Al/Al^3+	-1,663	H2/2H^+	0
Ti/Ti^2+	-1,630	Bi/Bi^3+	0,215
Mn/Mn^2+	-1,179	Cu/Cu^2+	. 0,337
Zn/Zn^2+	-0,763	Ag/Ag^+	0,799
Cr/Cr^2+	-0,744	Hg/Hg^2+	0,850
Fe/Fe^2+	-0,440	Pt/Pt^2+	1,188
Cd/Cd^2+	-0,403	Au/Au^3+	1,498

Ряд напряжений выражает следующие закономерности:

1. Металлы, расположенные до магния, вытесняют водород из воды.

2. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, вытесняют водород из_: растворов кислот (соляной, разбавленной серной и др., кроме азотной).

3. Каждый металл вытесняет расположенные после него металлы из растворов их солей (это условие выполняется для металлов, расположенных после магния).

Если концентрации электролитов не равны 1 моль/л, то электродный потенциал рассчитывается по уравнению Нернста:

,

где Е°- стандартный электродный потенциал,

n - заряд иона металла;

- молярная концентрация ионов металла в растворе, моль/л или г-ион/л.

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 рисунке.

Рис.8.1. Схема гальванического элемента Даниэля - Якоби

1 -стаканы с растворами: а) сульфата пинка; б) сульфата меди

2 - цинковый и медный электроды

3 - электролитический ключ

4 - токопроводящая проволока

5 – гальванометр

Элемент устроен и работает следующим образом: в два сосуда с растворами (один – ZnSO₄, а другой- 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 перемешаться 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.

Задания:

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. Дня 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.

Задания:

1. Zn/ZnSO₄ (0,2 н)//CuSO₄(2h)/Cu

2. Zn/ZnSO₄, (0,125 h)//CuSO₄ (2h)/Cu

3. Zn/ZnSO₄ (0,4 h)//CuSO₄(2h)/Cu

4. Zn/ZnSO₄ (0,5н)/CuSO₄(2н)/Cu

5. Zn/ZnSO₄ (0,025н)//CuSO₄(2н)/Cu

6. Zn/ZnSO₄(0,04н)//CuSO₄(2н)/Cu

7. Zn/ZnSO₄ (0,02н)//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.

Задания:

1. Fe/FeSO₄(2M)//FeSO₄(0,1н)/Fe

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

3. Co/CoSO₄(4н)/Со//СоSO₄(0,02M)

4. Ag/AgNO₃(2н)//AgNO₃(0,5M)/Ag

5. Cd/CdSO₄(0,8M)//CdSO₄(0,04н)/Cd

6. Mn/MnSO₄(0,5н)//MnSO₄(0,5M)/Mn

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

8. Mg/MgSO₄(0,01M)//MgSO₄(0,0002н)/Mg

Формулы для расчетов:

1. Пересчитайте нормальную концентрацию С_н в молярную концентрацию С_М:

, отсюда

Эквивалентная масса ионов металла равна

,

где – молярная масса ионов металла,

В – валентность металла.

Подставив Э в формулу для С_М, получим:

2. Вычислите электродный потенциал по уравнению Нернста.

3. Вычислите ЭДС как разность потенциалов катода и анода.

Лабораторная paбoтa №9