Министерство образования и науки Российской Федерации Саратовский государственный технический университет Балаковский институт техники, технологии и управления ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу « Химия» для студентов технических направлений и специальностей, «Общая и неорганическая химия» для студентов направления «Химическая технология» всех форм обучения Одобрено редакционно-издательским советом Балаковского института техники, технологии и управления Балаково 2014 Цель работы: изучить принцип работы гальванических элементов. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ В узлах кристаллических решеток металлов расположены ионы атомов. При погружении металла в раствор начинается сложное взаимодействие поверхностных ионов металла с полярными молекулами растворителя. В результате происходит окисление металла, и его гидратированные (сольватированные) ионы переходят в раствор, оставляя в металле электроны: Ме + m H2O Me(H2O) 2m + neМеталл заряжается отрицательно, а раствор - положительно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла и на границе металлраствор образуется двойной электрический слой, характеризующийся определенной разностью потенциалов - электродным потенциалом. Рис. 1 Двойной электрический слой на границе раздела металл - раствор Наряду с этой реакцией протекает обратная реакция - восстановление ионов металла до атомов. Me(H2O) 2m + ne Ме + m H2O - При некотором значении электродного потенциала устанавливается равновесие: Ме + m H2O Me(H2O) 2m + neДля упрощения воду в уравнение реакции не включают: Ме Me2+ + ne2 Потенциал, устанавливающийся в условиях равновесия электродной реакции, называется равновесным электродным потенциалом. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Гальванические элементы – химические источники электрической энергии. Они представляют собой системы, состоящие из двух электродов (проводников I рода), погруженных в растворы электролитов (проводников II рода). Электрическая энергия в гальванических элементах получается за счет окислительно-восстановительного процесса при условии раздельного проведения реакции окисления на одном электроде и реакции восстановления на другом. Например, при погружении цинка в раствор сульфата меди цинк окисляется, а медь восстанавливается Zn + CuSO4 = Cu + ZnSO4 Zn0 + Cu2+ = Cu0 + Zn2+ Можно провести эту реакцию так, чтобы процессы окисления и восстановления были пространственно разделены; тогда переход электронов от восстановителя к окислителю будет происходить не непосредственно, а через электрическую цепь. На рис. 2 представлена схема гальванического элемента Даниэля-Якоби, электроды погружены в растворы солей и находятся в состоянии электрического равновесия с растворами. Цинк, как более активный металл, посылает в раствор больше ионов, чем медь, в результате чего цинковый электрод за счет остающихся на нем электронов заряжается более отрицательно, чем медный. Растворы разделены перегородкой, проницаемой только для ионов, находящихся в электрическом поле. Если электроды соединить между собой проводником (медной проволокой), то электроны с цинкового электрода, где их больше, будут по внешней цепи перетекать на медный. Возникает непрерывный поток электронов - электрический ток. В результате ухода электронов с цинкового 3 электрода Zn цинк начинает переходить в раствор в виде ионов, восполняя убыль электронов и стремясь тем самым восстановить равновесие. Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом. Анод (-) Zn Ка- Г тодГ(+) Cu CuSO4 ZnSO4 Рис. 2. Схема гальванического элемента При работе медно-цинкового элемента протекают следующие процессы: 1) анодный – процесс окисления цинка Zn0 – 2e → Zn2+; 2) катодный – процесс восстановления ионов меди Cu2+ + 2e → Cu0; 3) движение электронов по внешней цепи; 4) движение ионов в растворе. В левом стакане - недостаток анионов SO42-, а в правом – избыток. Поэтому во внутренней цепи работающего гальванического элемента наблюдается перемещение ионов SO42- из правого стакана в левый через мембрану. Суммируя электродные реакции, получаем: Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+ На электродах протекают реакции: Zn + SO42- → Zn2+ + SO42- + 2e (анод ) Cu2+ + 2e + SO42- → Cu + SO42- ( катод ) Zn + CuSO4 → Cu + ZnSO4 4 (суммарная реакция) Схема гальванического элемента: ( - ) Zn / ZnSO4 | | CuSO4 / Cu ( + ) или в ионном виде: (-) Zn / Zn2+ | | Cu2+/Cu (+), где вертикальная черта обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две черты - границу раздела двух жидких фаз - пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Максимальная электрическая работа (W) при превращении одного моля вещества: W = n F E, (1) где ∆E - ЭДС гальванического элемента; F - число Фарадея, равное 96500 Кл; n - заряд иона металла. Электродвижущая сила гальванического элемента, может быть рассчитана как разность потенциалов электродов, составляющих гальванический элемент: ЭДС= Еокис. – Евосст= Ек – Еа, где ЭДС- электродвижущая сила; Еокисл. – электродный потенциал менее активного металла; Евосст - электродный потенциал более активного металла. СТАНДАРТНЫЕ ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ МЕТАЛЛОВ Абсолютные значения электродных потенциалов металлов непосредственно определить невозможно, но можно определить разность электродных потенциалов. Для этого находят разность потенциалов измеряемого электрода и электрода, потенциал которого известен. Наиболее часто в качестве электрода сравнения принято использовать водородный электрод. Поэтому измеряют ЭДС гальванического элемента, составленного из исследуемого и стандартного водородного электрода, электродный потенциал которого принимают равным нулю. Схемы гальванических элементов для измерения потенциала металла таковы: Н2, Pt| H+|| Мen+| Me 5 Т. к. потенциал водородного электрода, условно равен нулю, то ЭДС измеряемого элемента будет равна электродному потенциалу металла. Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью) , равной 1 моль/л, при стандартных условиях, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 250 С условно принимается равным нулю. Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов (Е°), получаем так называемый ряд напряжений. Чем более отрицательное значение имеет потенциал системы Ме/Меn+, тем активнее металл. Электродный потенциал металла, опущенного в раствор собственной соли при комнатной температуре, зависит от концентрации одноименных ионов и определяется по формуле Нернста: E E0 где RT ln C , nF (2) E0 – нормальный (стандартный) потенциал, В; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31Дж(моль.К); F – число Фарадея; Т - абсолютная температура, К; С - концентрация ионов металла в растворе, моль/л. Подставляя значения R, F, стандартное температуры Т=2980К и мно- житель перехода от натуральных логарифмов (2,303)к десятичным, получают удобную для применения формулу: E E0 0.058 lg C n (3) КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Гальванические элементы могут быть составлены из двух совершенно одинаковых по природе электродов, погруженных в растворы одного и то6 го же электролита, но различной концентрации. Такие элементы называются концентрационными, например: ( - ) Ag | AgNO3|| AgNO3 | Ag (+) C1 < C2 В концентрационных цепях для обоих электродов величины n и E0 одинаковы, поэтому для расчета ЭДС такого элемента можно использовать формулу: ЭДС 0,058 C2 , lg n C1 (4) где С1– концентрация электролита в более разбавленном растворе; С2 - концентрация электролита в более концентрированном растворе ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОДОВ Равновесные потенциалы электродов могут быть определены в условиях отсутствия в цепи тока. Поляризация - изменение потенциала электрода при прохождении электрического тока. Е = Еi - Еp , (5) где Е - поляризация; Еi - потенциал электрода при прохождении электрического тока; Еp - равновесный потенциал. Поляризация может быть катодной Е К ( на катоде) и анодной Е A ( на аноде). Поляризация может быть:1) электрохимическая; 2) химическая. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА 1. Опыты с неприятно пахнущими и ядовитыми веществами проводятся обязательно в вытяжном шкафу. 2. При распознавании выделяющегося газа по запаху следует направлять струю движениями руки от сосуда к себе. 3. Выполняя опыт, необходимо следить за тем, чтобы реактивы не попали на лицо, одежду и рядом стоящего товарища. 7 4. При нагревании жидкости, особенно кислот и щелочей, держать пробирку отверстием в сторону от себя. 5. При разбавлении серной кислоты нельзя приливать воду к кислоте, следует вливать кислоту осторожно, небольшими порциями в холодную воду, перемешивая раствор. 6. По окончании работы следует тщательно вымыть руки. 7. Отработанные растворы кислот и щелочей рекомендуется сливать в специально приготовленную посуду. 8. Все склянки с реактивами необходимо закрывать соответствующими пробками. 9. Оставшиеся после работы реактивы не следует выливать или высыпать в реактивные склянки (во избежание загрязнения). ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Задание 1 ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОСТИ МЕТАЛЛОВ Приборы и реактивы: цинк, гранулированный; сульфат меди CuSO4, 0,1 н раствор; пробирки. Кусочек гранулированного цинка опустите в 0,1 н раствор сульфата меди. Оставьте стоять спокойно в штативе и наблюдайте происходящее. Составьте уравнение реакции. Сделайте вывод, какой металл можно взять в качестве анода и какой - в качестве катода для следующего опыта. Задание 2 ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ Приборы и реактивы: Zn, Cu –металлы; сульфат цинка,ZnSO4, 1 М раствор; сульфат меди CuSO4, 1 М раствор; хлорид калия КCl, концентрированный раствор; гальванометр; стаканы; U- образная трубка, вата. В один стакан налейте до ¾ объема 1М раствора соли металла, являющегося анодом, а в другой - такой же объем 1 М раствора соли метал8 ла, являющегося катодом. Заполните U- образную трубку концентрированным раствором КCl. Концы трубки закройте плотными кусочками ваты и опустите в оба стакана так, чтобы они погрузились в приготовленные растворы. В один стакан опустите пластинку металл- анод, в другую- пластинку металл- катод; смонтируйте гальванический элемент с гальванометром . Замкните цепь и отметьте по гальванометру направление тока. Составьте схему гальванического элемента. Напишите электронные уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде данного гальванического элемента. Вычислите ЭДС. Задание 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ АНОДА ИЗ УКАЗАННОГО НАБОРА ПЛАСТИНОК Приборы и реактивы: Zn, Cu, Fe, Al –металлы; сульфат цинка,ZnSO4, 1 М раствор; сульфат меди CuSO4, 1 М раствор; сульфат алюминия Al2(SO4)3 1 М раствор; сульфат железа FeSO4, 1 М раствор; хлорид калия КCl, концентрированный раствор; стаканы; U- образная трубка, вата. Составьте гальванические пары: Zn / ZnSO4 || FeSO4 / Fe Zn / ZnSO4 || CuSO4/ Cu Al/Al2(SO4)3 || ZnSO4 /Zn Из указанного набора пластинок и растворов солей этих металлов соберите гальванический элемент, в котором цинк являлся бы катодом (задание 2). Составьте электронные уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде собранного гальванического элемента. Напишите окислительно-восстановительную реакцию, которая лежит в основе работы данного гальванического элемента. Вычислите ЭДС. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА Лабораторный журнал заполняется в ходе лабораторных занятий по мере выполнения работы и содержит: 9 дату выполнения работы; название лабораторной работы и ее номер; название опыта и цель его проведения; наблюдения, уравнения реакций, схему прибора; выводы; контрольные вопросы и задачи по теме. КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ 1.Какие из указанных ниже реакций возможны? Написать уравнения реакций в молекулярном виде, составить для них электронные уравнения: Zn(NO3)2 + Cu → Zn(NO3)2 + Mg → FeSO4 +Zn → AlCl3 + Ag→ 2. Составьте схемы гальванических элементов для определения нормальных электродных потенциалов Al/Al3+, Cu/Cu2+ в паре с нормальным водородным электродом. 3. Вычислите ЭДС гальванического элемента Zn/ZnSO4(1M)| | CuSO4(2M) Какие химические процессы протекают при работе этого элемента? 4. Химически чистый цинк почти не реагирует с соляной кислотой. При добавлении к кислоте нитрата свинца происходит частичное выделение водорода. Объясните эти явления. Составьте уравнения происходящих реакций. 5. Медь находится в контакте с никелем и опущена в разбавленный раствор серной кислоты, какой процесс происходит на аноде? 6. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению: Ni + Pb(NO3)2= Ni(NO3)2+Pb 10 7. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал 1,2313 В. Вычислите концентрацию ионов Mn2+ в моль/л. Время, отведенное на лабораторную работу Подготовка к работе 0,5 акад.ч. Выполнение работы 2,0 акад.ч. Обработка результатов эксперимента и оформление 0,5 акад.ч. отчета Литература Основная 1. Глинка. Н.А. Общая химия: учеб. пособие для вузов. – М.:Интеграл – Пресс, 2005. – 728 с. 2. Коржуков Н. Г. Общая и неорганическая химия. – М.: МИСИС; ИНФРА–М, 2004. – 512 с. Дополнительная 3.Фролов В.В. Химия: учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. шк., 2002. – 527 с. 4. Коровин Н.В.. Общая химия: учебник для техн. направл. и спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2002. – 559с.: ил.. 4. Ахматов Н.С. Общая и неорганическая химия: учебник для вузов. – 4-е изд., исправл.- М.: Высш. шк., 2002. –743 с. 5. Глинка Н.А. Задания и упражнения по общей химии. – М.: Интеграл – Пресс, 2001. – 240 с. 6. Метельский А. В. Химия в вопросах и ответах: справочник. – Мн.: Бел.Эн., 2003. – 544 с 11 ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу « Химия» для студентов технических направлений и специальностей, «Общая и неорганическая химия» для студентов направления «Химическая технология» всех форм обучения Составили: Синицына Ирина Николаевна Тимошина Нина Михайловна Рецензент Н. Г. Зубова Редактор Л. В. Максимова Подписано в печать 25.02.14 Формат 60х84 1/16 Бумага тип. Усл. печ.л. 0,75 Тираж 100 экз. Заказ Уч.-изд.л. 0,75 Бесплатно Саратовский государственный технический университет 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77 Копипринтер БИТТиУ, 413840, г.Балаково, ул.Чапаева, 140 12