Лабораторна робота №13. Ряд напруги металів. Гальванічні елементи.
Мета роботи – ознайомити студентів з активністю металів, основними електрохімічними поняттями та процесами роботи гальванічних елементів.
Вимоги до знань та умінь
Студент повинен знати: виникнення стрибка потенціалів на кордоні розчин – електрод, теорію електродних потенціалів та методи їх виміру, анодні та катодні процеси під час роботи гальванічних елементів, визначення ЕДС гальванічних елементів.
Студент повинен вміти: використовуючи ряд напруги металів, правильно записувати рівняння реакції витіснення водню з кислоти активним металом; складати схеми гальванічних елементів та записувати рівняння реакцій, які йдуть на електродах; розраховувати значення електродних потенціалів за формулою Нернста; розраховувати ЕДС гальванічних елементів.
Теоретична частина
Кристалічна решітка метала складається з іонів цього металу, атомів та вільних електронів. Якщо покласти метал під вакуум, електрони почнуть виходити з кристалічної решітки. У результаті вакуум біля поверхні метала заряджається негативно, а метал від надлишку іонів – позитивно. При цьому на кордоні метал-вакуум утворюється подвійний електронний шар або стрибок потенціалу.
Зараз розглянемо, що зміниться, якщо занурити метал у воду або розчин його солі.
1. Якщо занурити металеву пластинку у воду, вона починає розчинятися, посилаючи свої гідратовані іони у воду. Внаслідок цього найближче коло розчину заряджається позитивно, а надлишок електронів заряджають метал негативно. І в цьому випадку також утворюється стрибок потенціалу.
Різниця електростатичних потенціалів на кордоні метал-розчин називається електродним потенціалом.
2. При зануренні металевої пластинки у розчин своєї солі з концентрацією іонів метала у цій солі такою, яку пластинка надавала б при розчиненні, тобто в момент занурення з металу буде виходити стільки ж іонів, скільки і повертатися. В цьому випадку потенціал металу буде дорівнювати нулю.
Електродний потенціал, який відповідає стану рівноваги, при якому швидкість перебігу іонів у розчин дорівнює швидкості зворотнього їх осадження, називається рівноважним потенціалом.
3. Якщо занурити металеву пластинку у насичений розчин своєї солі, то при цьому іони метала з розчину будуть “осаджуватися” на пластинку, заряджуючи її позитивно, а надлишок кислотного залишку зарядить розчин негативно. На кордоні метал-розчин утворюється різниця потенціалів або електродний потенціал.
Величина електродного потенціалу залежить від активності металу, концентрації його іонів у розчині та температури.
Електродний потенціал розраховується за формулою Нернста:
,
де Е0 – стандартний електродний потенціал метала;
n – валентність іонів метала у розчині;
С – концентрація іонів метала у розчині (в г-іон/л).
Абсолютні значення потенціалів металів виміряти не вдається, тому вимірюють їх відносно водневого електроду.
Водневий електрод складається з платинової пластини, яка вкрита губчастою платиною. Електрод занурюють у розчин сірчаної кислоти, з концентрацією іонів водню 1 г-іон/л. Знизу електрод омивається струєю газоподібного водню під тиском 1 ат. Величину потенціалу такого електроду приймають за нуль.
Різниця потенціалів між металом зануреним у розчин своєї солі з концентрацією іонів металу 1 г - іон/л і водневим електродом, називається стандартним або нормальним потенціалом металу.
При розташуванні металів в ряд за алгебраїчною величиною їх нормальних електродних потенціалів, отримали назву “ряд напруги металів”.
Ряд напруги металів дає можливість зробити дуже важливі висновки:
- чим менш алгебраїчна величина стандартного електродного потенціалу, тим більша його хімічна активність;
- метали, які мають негативну величину стандартного електродного потенціалу, можуть видаляти водень з кислот;
- метал з меншою величиною стандартного електродного потенціалу здатний витискати з розчину солей метал з більшою алгебраїчною величиною стандартного електродного потенціалу;
-у гальванічному елементі анодом зветься більш активний метал, тобто стандартний електродний потенціал якого має меншу алгебраїчну величину.