Гальванические элементы. Методические указания к лабораторной работе

Министерство образования Российской Федерации ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Данная работа является руководством к выполнению лабораторной работы «Гальванические элементы». Работа содержит: краткие теоретические сведения, описание опытов, вопросы и задачи для СРС, справочные данные. Ключевые слова: гальванические элементы, полуреакции окисления и восстановления, электрохимические системы, электродные потенциалы, уравнение Нернста, энергия Гиббса, электродвижущая сила, стандартная э.д.с.

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Методические указания к лабораторной работе «Гальванические элементы»

Составители: Сергеева Ц.Б., Батуева Д.М.

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ 2004

1. Краткие теоретические сведения Гальванические элементы – это устройства, в которых происходит превращение энергии химической окислительно-восстановительной реакции (ОВР) в электрическую энергию. Такое превращение становится возможным за счет пространственного разделения процессов окисления и восстановления, тогда переход электронов от восстановителя к окислителю осуществляется по металлическому проводнику, в результате чего образуется поток электронов в металлическом проводнике (электрический ток). В обычной ОВР переход электронов хаотичен, энергия химической реакции превращается в теплоту. Простейший гальванический элемент состоит из двух металлических электродов, погруженных в растворы их солей, при этом электроды соединены металлическим проводником, а растворы – т.н. солевым мостиком (электролитическим ключом). Таким образом, образуется замкнутая электрическая цепь, в которой отклонение стрелки гальванометра показывает наличие тока в системе (рис. 1).

Рис. 1 Схема гальванического элемента

3

Необходимое условие работы гальванического элемента – разность электродных потенциалов. Именно разность электродных потенциалов вызывает самопроизвольный процесс перехода электронов от анода – окислителя к катоду – восстановителю. Например, обычная реакция окисления – восстановления Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu или Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu (1) в медно-цинковом гальваническом элементе разделена на две полуреакции – анодное окисление и катодное восстановление: А: Zn − 2e = Zn 2+ К: Cu 2+ + 2e = Cu 0 Суммирование этих двух полуреакций приводит к реакции (1), которую называют токообразующей. Очевидно, что фактически любую ОВР можно представить как токообразующую реакцию. Принята краткая запись гальванического элемента: 1) (−) Zn / ZnSO4 // CuSO4 / Cu (+ ) или 2) (−) Zn / Zn 2+ // Cu 2+ / Cu (+) , где одна черта означает границу между электродом и раствором, две черты – границу между растворами, знак (-) означает анод (А), а знак (+) – катод (К). Величина электродного потенциала металла зависит от свойств метала, активности (концентрации) его ионов в растворе и температуры. Эта зависимость выражается уравнением Нернста: RT (2) ϕ = ϕo + lna Men + nF где a Men + - это активность (концентрация) ионов металла в

растворе; n – заряд катиона Ме; 4

Т – абсолютная температура, К; F – постоянная Фарадея, равная 96500 кл/моль; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль.К. Используя уравнение Нернста, можно рассчитать э.д.с. элемента при условиях, не равных стандартным. Если ограничиться стандартной температурой (Т=298оК), то после подстановки R, T, F и перехода от натуральных логарифмов к десятичным, получаем: 0,059 ϕ = ϕo + lgC Men + , (3) n где С в моль/л. Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой элемента (э.д.с.). Она равна разности равновесных потенциалов катода и анода: Е = ϕк - ϕА. По значениям стандартных электродных потенциалов (табл. 1) можно вычислить стандартную э.д.с. элемента: o o E o = ϕ ko − ϕ Ao = ϕ Cu − ϕ Zu = 0,34 − (−0,76) = 1,1 B 2+ 2+ / Cu / Zu Максимальная электрическая работа гальванического элемента при превращении одного моля вещества Амэ равна: Амэ=Q.E, где Q – количество электричества, Е – э.д.с. элемента. Так как Q=nF, то Амэ=n.F.E. Как известно, самопроизвольный процесс, протекающий при постоянных р и Т, характеризуется убылью энергии Гиббса: ∆G < 0 . С другой стороны, − ∆G = Aмn (максимальная полезная работа химической реакции равна убыли энергии Гиббса реакции). Так как Амэ=Амп, то − ∆G = nFE . Отсюда: ∆G . Значит, для работы гальванического элемента E=− nF необходимо, чтобы выполнялось условие: ∆G < 0 , а Е>0. Последнее условие справедливо не только для гальванических элементов, но и для обычных ОВР с 5

непосредственным взаимодействием реагирующих веществ, а именно: ОВР возможна или, говорят, протекает в прямом направлении, если Е>0, т.е. ϕ окислителя > ϕ восстановителя , что можно узнать, сопоставляя электродные потенциалы соответствующих систем. Необходимую для работы гальванического элемента разность потенциалов можно создать, используя одинаковые электроды, погруженные в один и тот же раствор, но разной концентрации. В этом случае элемент называется концентрационным, а работает он из-за выравнивания концентраций. Пример: (−) Ag / AgNO3 (C1 ) // AgNO3 (C 2 ) / Ag (+) Очевидно, что в общем случае: С1<С2, а э.д.с. равна: 0,059 C 2 (4) E= lg C1 n 2. Лабораторная работа Гальванические элементы Опыт 1. Определение э.д.с. медно-цинкового гальванического элемента Собрать прибор согласно рис. 1. Очистить наждачной бумагой медную и цинковую пластинка. В один стаканчик емкостью 50 мл налить 0,05 М раствор сульфата меди и опустить в него медную пластинку, в другой стаканчик налить 0,01М раствор сульфата цинка и опустить в него цинковую пластинку. Стаканчики соединить электролитическим ключом (солевым мостиком), заполненным насыщенным раствором хлорида калия в смеси с агар-агаром. Пластинки соединить проводом с чувствительным гальванометром и измерить

6

э.д.с. Рассчитать значение э.д.с. элемента по уравнению Нернста. Сравнить полученные результаты. Прибор не разбирать (оставить для опыта 2). Записать краткую схему гальванического элемента. Написать электродные реакции, суммарное уравнение. Опыт 2. Определение полюсов тока На предметное стекло положить полоску фильтровальной бумаги и смочить ее 2 каплями раствора NaCl и 2 каплями раствора фенолфталеина. Отключить провода от гальванометра (см. предыдущий опыт) и приложить их к приготовленной полоске фильтровальной бумаги на предметном стекле. Почему у конца проволоки, соединенной с цинковой пластинкой, произошло окрашивание раствора? Можно ли таким способом определять полюса источника постоянного тока? Этот опыт можно также провести в U-образной трубке, наполненной раствором NaCl, к которому добавлены 1-2 капли фенолфталеина. Опыт 3. Определение э.д.с. концентрационного элемента Налить в один стаканчик 0,001 М раствор сульфата меди, а в другой – 1,0 М раствор сульфата меди. Погрузить в оба раствора хорошо очищенные медные электроды и соединить растворы электролитическим ключом, а электроды – с гальванометром Измерить э.д.с. Рассчитать также э.д.с. по уравнению Нернста (4) и сравнить полученные результаты. Записать краткую схему гальванического элемента. Написать электродные реакции, суммарное уравнение. Опыт 4. Определение направления окислительновосстановительной реакции Определить возможность протекания реакции

7

Cr2 ( SO4 ) 3 + 4 K 2 SO4 + 3J 2 + 7 H 2 O ⋅ ⋅ ⋅ K 2 Cr2 O7 + 6 KJ + 7 H 2 SO4 В другую пробирку внести по 2-3 капли 0,5 М раствора бихромата калия и 2 н серной кислоты, затем добавить 3-4 капли 0,1М йодида калия. Почему раствор окрасился в коричневый цвет? В каком направлении протекает данная ОВР? Составить уравнения полуреакций окисления и восстановления. Выписать значения соответствующих электродных потенциалов (табл. 1) и вычислить э.д.с. Вопросы и задачи

1. Определить значение электродного потенциала меди, погруженной в 0,0005н раствор Сu(NO3)2. Ответ: 0,231В 2. Вычислить потенциал железного электрода, опущенного в раствор, содержащий 0,0699 г FeCl2 в 0,5 л. Ответ: -0,529В 3. Вычислить потенциал водородного электрода, если C H + в растворе равна 3,8.10-3 моль/л. Ответ: -0,133В 4. Потенциал марганцевого электрода, помещенного в раствор его соли, составил -1,1 В. Вычислить C Mnn + .

Ответ: 2,04.10-2моль/л 5. Вычислить в милливольтах потенциал водородного электрода в следующих растворах: а) 0,1М и 1%-ном растворах СН3СООН; б) 0,001М КОН; в) 0,04%-ном NaOH. Ответ: а) -170мВ; -164мВ; б) -651мВ; в) -710мВ. 6. Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является катодом, а в другом – анодом. Написать уравнения электродных процессов и вычислить стандартную э.д.с. 8

7. Вычислить э.д.с. медно-цинкового гальванического элемента, работающего при концентрациях электролитов: Ответ: 1,163В. 1,5 М CuSO4 и 0,01 М ZnSO4. 8. Вычислить э.д.с. концентрационного гальванического элемента, составленного из двух медных электродов, один из которых опущен в 0,001 М раствор CuSO4, а другой – в 1 М раствор CuSO4. Ответ: 0,087В. 9. Какие процессы происходят на электродах гальванического элемента Zn/Zn2+(C1)//Zn2+(C2)/Zn, (C1
14. Что является более сильным окислителем – НСlO или NaClO? 15. Что происходит при взаимодействии растворов сульфата железа (II) и сульфата церия (IV)? 16. Какая из приведенных ниже реакций может протекать самопроизвольно? а) Н3РО3+Pb(NO3)2+H2O= Pb+2HNO3+H3PO4 б) Н3РО4+2НJ=H3PO3+J2+H2O 17. Какой из окислителей – КМnO4, K2Cr2O7 или J2 (первые два в кислой среде) – будет окислять Cl- - ионы ?

10

Приложение Таблица 1 Стандартные электродные потенциалы ϕ в водных растворах по отношению к нормальному водородному электроду. Электродный процесс ϕо , B + o Li +е=Li -3.02 Rb++е=Rbo -2.99 K++е=Ko -2.92 2+ o Ba +2е=Ba -2.90 Sr2++2е=Sro -2.89 Ca2++2е=Cao -2.87 Na++е=Nao -2.71 Mg2++2е=Mgo -2.34 Al3++3е=Alo -1.67 2+ Mn +2е=Mn -1.05 + 2+ MnO 4+8Н +5е=Mn +4H2O +1.51 Zn2++2е=Zno -0.76 3+ o Cr +3е=Cr -0.71 + 3+ 2− +1.33 Cr2O 7 +14H +6е=2Cr +7H2O Fe2++2е=Feo -0.44 3+ 2+ Fe +е=Fe +0.77 Cd2++2е=Cdo -0.40 2+ o Co +2е=Co -0.28 Co3++е=Co2+ +1.81 Co(OH)3+е=Co(OH)2+OH+0.17 2+ o Ni +2е=Ni -0.25 Sn2++2е=Sno -0.14 Pb2++2е=Pbo -0.13 2H++2е=H2 0.00 + H2O2+2H +2е=2H2O +1.78 Sb3++3е=Sbo +0.20 Bi3++3е=Bio +0.23 о

11

ϕо , B +0.23 +1,74 +0.34 +0.52 +0.79

Электродный процесс Bi3++3е=Bio Ce4++2е=Ce2+ Cu2++2е=Cuo Cu++е=Cuo Hg 22+ +2е=2Hg Ag++е=Ago Pd2++2е=Pdo Hg2++2е=Hgo Pb2++2е=Pbo Au3++3е=Au J2(kp)+2е=2J2JO 3− 3+12H++10е=J2(k)+6H2O

+0.80 +0.83 +0.86 +1.20 +1.42 +0.54 +1.19

2JO 3− +6H2O+10е=J2+12OHO2+2H2O+4е=4OHO2+4H++4е=2H2O H3PO4+2H++2е= H3PO3+ H2O Cl2+2е=2ClHClO+H++2е=Cl-+H2O ClO-+H2O+2е=Cl-+2OHNO 3− +H2O+2е= NO −2 +2OH-

+0.21 +0.40 +1.23 -0.28 +1.36 +1.49 +0.89 +0.01

12

Методические указания к лабораторной работе «Гальванические элементы»

Составители: Сергеева Ц.Б., Батуева Д.Н. Рецензент: Цыренова С.Б.

Подписано в печать 24.06.2004 г. Формат 60×84 1/16. Усл.п.л. 0,7. Тираж 110 экз. Заказ № 80. _______________________________________________ Издательство ВСГТУ, г.Улан-Удэ ул.Ключевская, 40а.