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, называется электродным 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/моль× К;
	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, F и, 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 называется анодом и 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 элемента записывается таким образом:

A (–)	Ni ½ NiSO 4½ ½ CuSO 4½ Cu	(+) 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:

Е_Теор. = Е_k – Е_a = 0, 281 – (–0, 25) = 0, 53 В;

теоретическая ЭДС по формуле (14) для токообразующей реакции будет:

Е_Теор. = 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 – DE,

где	U	–	напряжение гальванического элемента;
	E	–	ЭДС;
	I	–	сила тока;
	R	–	омическое сопротивление проводников первого и второго рода;
	DE	–	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	Е экспер	Е теор	Е 0станд
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?