Физхимия_студентам_2семестр / Лаб_раб_22_кн

Лабораторная работа № 22

Газовые цепи

Газовые цепи

Задание к работе

Ознакомиться с теорией, методикой эксперимента, заданием и подготовиться к собеседованию по следующим вопросам:

1) сущность компенсационного метода измерения ЭДС;

2) теория газовых цепей;

3) нормальный элемент Вестона;

4) хлорсеребряный электрод.

Краткая теория работы

На поверхности платины, насыщенной водородом, возникает скачок потенциала, отвечающий работе окисления-восстановления водорода:

Н₂  2H_(адс.)  2Н⁺ +2ē

Подобным же образом могут быть осуществлены и другие газовые электроды.

Если газ химически совершенно не взаимодействует с металлом электрода, то на поверхности не происходит необратимых процессов, и потенциал оказывается хорошо воспроизводимым и действительно отвечающим равновесию окисленной и восстановленной формам. Величину скачка потенциала для газовых электродов можно определить по обычной формуле, учитывающей парциальное давление газа.

Так для водородного электрода мы имеем:

(1)

или , так как E⁰ = 0 и n = 2.

Из газовых электродов можно составить газовую цепь (газовый элемент); если в качестве газовых электродов взять водородные электроды, получится водородная цепь.

Так в работе исследуется водородная цепь:

измерений ЭДС не дадут совпадающего результата, значение которого и будет искомым.

После измерений этой цепи таким же путем измеряют ЭДС второй и третьей цепи, заменяя один из двух газовых полуэлементов хлорсеребряным электродом.

Измерение ЭДС газовых цепей производится при помощи высокоомного потенциометра Р-37, в основе которого лежит компенсационный метод измерения ЭДС. Принцип действия и правила пользования потенциометром изложены в инструкции, с которой необходимо ознакомиться перед работой.

Порядок работы

1. Собрать установку для измерения ЭДС.

2. Приготовить первую цепь (I) и определить ее ЭДС, после чего по формуле (2) вычислить ионное произведение воды (К_В). Сравнить со справочными данными.

3. Приготовить вторую цепь (II) и определить ее ЭДС и по формуле (3) вычислить концентрацию ионов водорода в щелочи.

4. Приготовить третью цепь (III), измерить ее ЭДС, после чего по формуле (4) вычислить потенциал хлорсеребряного электрода и сопоставить эту величину со справочным значением.

5. Сделать вывод о практическом применении водородных электродов.

6. После работы тщательно промыть сосуды, особенно содержащие щелочь, так как в недостаточно промытом сосуде быстро заедаются краны, и он выходит из строя. После промывки сосуды заполнить дистиллированной водой и сдать инженеру рабочее место.

Устройство сосуда (4) понятно из рисунка. Платиновый платинированный электрод (1) в виде пластинки прикреплен к короткой платиновой проволоке, впаянной в стеклянную трубку (2), к которой при помощи сплава Вуда (3) присоединена медная проволока для соединения электрода с измерительной цепью. Стекло, в которое впаян электрод, является одновременно и шлифом к полуэлементу. Водород подводится к платиновому электроду через трубку (6) и выходит через жидкостной затвор (7). Кран открывается в начале опыта для заполнения носика сосуда (5) раствором.

Перед составлением цепи необходимо убедиться в том, что платиновый электрод хорошо платинирован и имеет черную бархатистую поверхность. Если слой платиновой черни на электроде поврежден, то его нужно заново платинировать (обратиться к инженеру).

Для измерения первой цепи берутся два сосуда. Один из них заполняют 1н раствором HCl, второй – 1н раствором KOH. Вынув шлиф с впаянным платиновым электродом, в сосуд наливают требуемый раствор приблизительно 3/4 сосуда и снова закрывают шлиф. После этого открывают кран и заполняют носик сосуда с таким расчетом, чтобы платиновый электрод в сосуде был покрыт раствором лишь наполовину. Затем оба полуэлемента закрепляют так, чтобы их носики были опущены в стаканчик с соединительной жидкостью (KCl) и приступают к насыщению водородом.

В виду того, что электродами в данной цепи является водород, растворенный в платине, техника работы с ним несколько сложнее, чем в случае с металлическими электродами. Поэтому надо принять меры, чтобы оба электрода были насыщены водородом и, чтобы это насыщение поддерживалось постоянно во время измерения (чтобы к электродам не мог проникнуть воздух). Это достигается использованием водяного затвора (7).

Через 15-20 минут после начала пропускания водорода производят первое измерение. После этого через полуэлементы снова пропускают водород в течение 5-10 минут и снова производят измерение. Если при этом ЭДС цепи несколько увеличилась, то это показывает, что насыщение было недостаточно полным, поэтому водород пропускают еще 5-10 минут, и так продолжают до тех пор, пока два последующих

Pt, H₂  KOH  KCL  HCl  H₂, Pt (I)

Е₂ Е₁

ЭДС данной цепи равна =E₁-E₂,

где и

и, следовательно,

На основании уравнения ионного произведения воды

,

поэтому , (2)

или

где а_H+(HCl) = ₁  C₁ и а_ОH-(KOH) = ₂  C₂; C₁ и C₂ – молярные концентрации кислоты и щелочи в электродных растворах; ₁ и ₂ – их коэффициенты активности (Краткий справочник физико-химических величин).

Из уравнения (2) находят ионное произведение воды К_В.

Для измерения водородного показателя, а, следовательно, и концентрации ионов водорода в электролите, разработан ряд методов: колориметрический, кондуктометрический, потенциометрический.

Потенциометрическое определение производят, измеряя ЭДС гальванического элемента, составленного из водородного, хингидронного, сурьмяного или стеклянного электрода, погруженного в электролит, содержащий ионы водорода. Вторым электродом сравнения является хлорсеребряный, каломельный или водородный электрод.

В данной работе с помощью потенциометрического метода определяется концентрация ионов водорода в щелочи. Для этого определяют ЭДС () следующей цепи:

Pt, H₂  KOH  KCL  KCl  AgCl, Ag (II)

Е₂ Е_Ag,AgCl

ЭДС цепи =E_Аg,AgCl – E₂, тогда ,

т.к. измерения проводят при Р=1 атм., то

Таким образом,

,

но а_H+(KOH) =   C_H+ в KOH, поэтому

, откуда

,

(3)

Потенциал хлорсеребряного электрода (E_Ag,AgCl) определять по ЭДС цепи, составленной из хлорсеребряного и водородного электродов. Для этого надо собрать цепь:

Pt, H₂  HCl  KCL  KCl AgCl, Ag (III)

Е₁ Е_Ag,AgCl

ЭДС цепи  = Е_Ag,AgCl – E₁

,

так, как Р=1 атм., то , где

С – молярность раствора HCl, а  – его коэффициент активности, то

,

откуда по известным ,  и C находят E_Ag,AgCl:

(4)

Экспериментальная часть

Предлагается измерить ЭДС следующих цепей:

1. Pt, H₂  KOH  KCl  HCl  H₂, Pt

2. Pt, H₂  KOH  KCl  KCl  AgCl, Ag

3. Pt, H₂  HCl  KCl  KCl  AgCl, Ag

Сосуд для газовой водородной цепи имеет форму, изображенную на рис.1.

Рис.1.

Водородный электрод.