АПРОБВЦИЯ Министерство образования и науки Российской Федерации Саратовский государственный технический университет

АПРОБВЦИЯ
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, специальности НТС
всех форм обучения
Балаково 2012
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 металл-раствор 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+ + neПотенциал, 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 1 рода), погруженных в растворы электролитов (проводников П 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 представлен гальванический элемент 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. Раство-
ры разделены перегородкой, проницаемой только для ионов, находящихся в
электрическом поле.
Анод (-)
Катод (+)
Г
Cu
Zn
ZnSO4
CuSO4
Cu2+
Рис. 2. Схема гальванического элемента
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 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.
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 SO 42-,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
Cu2+ + 2e + SO42- → Cu + SO42Zn + CuSO4 → Cu + ZnSO4
(анод )
( катод )
(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=nF ∆ E
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
где:
ЭДС- электродвижущая сила;
Еокисл. – электродный потенциал электрода, имеющего большую
алгебраическую величину, то есть менее активного элемента;
Евосст - электродный потенциал электрода, имеющего меньшую
алгебраическую величину, то есть 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:
Н2, Pt| H+|| Fe2+| Fe
;
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/Ме n+,
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 ,
n
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=298 0К и множи-
тель перехода от натуральных логарифмов (2,303)к десятичным, получают
удобную для применения формулу:
E = E0 +
0.058
⋅ lg C
n
КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Гальванические элементы могут быть составлены из двух совершенно
одинаковых по природе электродов, погруженных в растворы одного и того же
электролита, но различной концентрации. Такие элементы называются концентрационными, например:
(-)
Ag | AgNO3|| AgNO3 | Ag (+)
C2 < C1
В концентрационных цепях для обоих электродов величины n и E 0 одинаковы, поэтому для расчета ЭДС такого элемента можно использовать
формулу:
ЭДС =
где
0,058 C1
lg
n
C2
С1– концентрация электролита в более концентрированном растворе;
С2 - концентрация электролита в более разбавленном 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 ,
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.
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,
необходимо вливать кислоту осторожно, небольшими порциями в холодную
воду, перемешивая раствор.
6. По окончании работы необходимо 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: металлы магний и цинк; 0,1 н раствор CuSO 4; колбы.
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: р-р хлорида калия ( концентрированный), растворы
солей,1 р; стаканы.
В один стакан налейте до ¾ объема 1н раствора соли металла, являющегося анодом, а в другой- такой же объем 1 н раствора соли металла, являющегося катодом. Оба стакана соедините V-образной трубкой, заполненной концентрированным раствором KCl. 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 измерительным прибором. Замкните цепь и отметьте по гальванометру направление тока.
Составьте схему гальванического элемента.
Напишите электронные уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде данного гальванического элемента.
Задание 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АНОДА ИЗ УКАЗАННОГО
НАБОРА ПЛАСТИНОК
Приборы И реактивы: Zn, Cu, Fe, Al –металлы, сульфат цинка,ZnSO 4 1 н,
сульфат медиCuSO4 1 н, сульфат алюминия Al2(SO4)3 1 н.
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 (опыт 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.
ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ЖУРНАЛА
Лабораторный журнал заполняется в ходе самих практических занятий
по мере выполнения работы. На обложке журнала проставляется фамилия студента, его инициалы, номер группы и курса.
Можно рекомендовать следующую схему записи:
1. Дата выполнения работы.
2. Название лабораторной работы и ее номер.
3. Название опыта и его цель.
4. Наблюдения, уравнения реакций, схема прибора.
5. Выводы.
6. Контрольные вопросы и задачи по теме.
Лабораторный журнал периодически проверяется преподавателем.
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→
• HNO5 (разб.) + Cu →
• HCl (разб)+ Cu →
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
7. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал 1,2313 В.
Вычислите концентрацию ионов Mn2+ в г-ион/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. Обща химия: учеб. пособие для вузов. – М.:Интеграл – Пресс,
2005 – 728 с.
2. Фролов В.В. Химия: учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. шк., 2002. –
527 с.
3. 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.
Дополнительная
5. Глинка Н.А. Задания и упражнения по общей химии. – М.: Интеграл –Пресс,
2001. – 240 с.
6. Коржуков Н. Г. Общая и неорганическая химия. – М.: МИСИС;
ИНФРА–М, 2004. – 512 с.
7. Метельский А. В. Химия в вопросах и ответах. Справочник. – Мн.: Бел.Эн.,
2003. – 544 с
ПРИЛОЖЕНИЕ
Электрод
Li+ / Li
Rb+/Rb
K+/K
Cs+/Cs
Ba2+/ Ba
Ca2+/Ca
Ma + /Na
Mg2+/Mg
Al3+/Al
Ti2+/ Ti
Zr4+/Zr
Mn2+/Mn
V2+/V
Сr2+/Cr
Zn2+/Zn
Cr3+/Cr
Fe2+/Fe
Стандартные электродные потенциалы (E°)
некоторых металлов (ряд напряжений)
Е°,В
Электрод
Е°, В
2+
- 3,045
Cd /Cd
-0,403
2+
- 2,925
Со /Со
-0,277
2+
-2,924
Ni /Ni
-0 25
2
-2,923
Sn +/Sn
-0,136
2+
-2,90
Pb /Pb
-0,127
3+
- 2,87
Fe /Fe
-0,037
+
-2,714
2H /H2
0, 000
3+
-2,37
Sb /Sb
+ 0,20
3+
- 1,70
Bi /Bi
+0,215
2+
-1,603
Cu /Cu
+0 34
+
-1,58
Cu /Cu
+0,52
2+
-1,18
Hg2 /2Hg
+0,79
+
-1,18
Ag /Ag
+0,80
2+
- 0,913
Hg /Hg
+,85
2+
-0,763
Pt /Pt
+1,19
3+
- 0,74
Au /Au
+1,50
+
-0,44
Au /AU
+1,
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу
«Химия» для студентов технических направлений, специальности НТС
Составили Синицына Ирина Николаевна
Тимошина Нина Михайловна
Рецензент Н. А. Щербина
Редактор
Л. В. Максимова