Химия. Лабораторное занятие по теме

Коновалова Е.А., Чигинцев С.М.
Лабораторное занятие по теме:
«ПРИГОТОВЛЕНИЕ КИСЛОТНОГО
ЭЛЕКТРОЛИТА – АККУМУЛЯТОРНОЙ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ»
Цель работы: научиться процессу приготовления раствора кислотного электролита
заданной концентрации.
Сведения из теории.
Аккумуляторы – обратимо работающие гальванические элементы, которые могут
использоваться попеременно для отдачи (разряд) и накопления (заряд) электрической
энергии. Аккумуляторы относятся к химическим источникам тока (ХИТ). В зависимости
от применяемого электролита аккумуляторы классифицируют на кислотные, щелочные и
солевые. В данной работе рассмотрим функционирование одного из наиболее
распространенного и широко применяемого на практике типа аккумуляторов –
свинцового кислотного аккумулятора.
Данный аккумулятор составлен из чередующихся двух или многих решетчатых
пластин из свинца (иногда заполненных тестообразной массой (смесь PbO и воды)) и
двуокиси свинца PbO2, и опущенных в электролит – раствор серной кислоты. По
различным литературным данным (в зависимости от сферы применения и требований к
аккумулятору) концентрация серной кислоты колеблется от 30% до 40% (соответственно
плотность электролита 1,2185 – 1,3028). Нужно отметить, что для приготовления раствора
электролита с целью снижения примесей и солей (наличие которых может снизить
емкость аккумулятора, время его эксплуатации и увеличить вероятность саморазряда)
используют только дистиллированную воду. Соответственно схему данного аккумулятора
можно составить следующим образом: PbO2 H2SO4  Pb. Определите, что здесь является
катодом, что – анодом.
Работа аккумулятора связана с протеканием окислительно-восстановительных
реакций, в частности – с сильными окислительными свойствами PbO2. Рабочая
(токообразующая) реакция здесь следующая:
Pb + PbO2 + 2H2SO4  2PbSO4 + 2H2O. Е2,06 В.
Реакция в прямом направлении (слева направо) характеризует процесс разряда
аккумулятора. При включении в цепь полюсов через последнюю протекает электрический
ток в направлении от свинца к PbO2. В результате данной реакции на поверхности
пластин-электродов
образуется
слой
труднорастворимого
сульфата
свинца.
Возникновение тока обусловлено следующими протекающими реакциями (процессы при
разрядке):
На аноде: Pb – 2e = Pb2+; на катоде: Pb4+ + 2e = Pb2+.
Если после разрядки через всю систему пропускать постоянный электрический ток
в направлении, обратном току разрядки, то у обоих пластин идут следующие реакции
(процессы при зарядке):
На аноде: Pb2+ + 2e = Pb; на катоде: Pb2+ - 2e = Pb4+.
Если оба полюса не соединены друг с другом проводником, аккумулятор может в
заряженном состоянии сохраняться весьма долгое время.
Очевидно, что процессы разрядки обратны по отношению к процессам при зарядке
аккумулятора. В то время как в основе последних лежит идущая с поглощением энергии
реакция передачи электронов от одного Pb2+ другому, при разрядке осуществляется
самопроизвольно идущее с выделением энергии оттягивание электронов ионом Pb4+ с
нейтрального атома свинца. Получаемый при разрядке свинцового аккумулятора
электрический ток имеет напряжение около 2В.
Практическая часть.
Для приготовления раствора электролита (в нашем случае – раствора серной
кислоты) в данной работе используется несколько методов приготовления растворов
заданной концентрации.
Как известно, концентрация растворов определяется количеством вещества,
заключенного в определенном весовом или объемном количестве раствора (или
растворителя). Также на практике параллельно с концентрацией растворов широко
используются их удельные веса, или плотность. Между ними существует прямая связь (см
приложение). Для определения плотности раствора применяются ареометры,
представляющие собой стеклянный поплавок с шариком, наполненным свинцом (дробью),
и узкой трубочкой с делениями, соответствующими различным значениям плотности.
Деление, до которого погружается ареометр в жидкость (его определяем по нижнему
мениску), соответствует искомой плотности. Также для перехода от объема к массе
раствора можно пользоваться формулой
 = m/V,
где  - плотность, m – масса и V – объем раствора.
Достаточно широко на практике для приготовления растворов методом
разбавления используется правило смешения (правило креста). Суть его можно понять на
примерах.
Пример 1. Даны 90%-ый раствор и чистый растворитель (например, вода).
Необходимо приготовить 30%-ый раствор:
90
30
30
0
60
Из этой записи следует, что для приготовления 30%-го раствора необходимо
смешать 30 масс. частей 90%-го раствора с 60 масс. частями растворителя (или
соответствующими эквивалентными количествами).
Пример 2. Дан водный раствор плотностью 1,57 г/мл. необходимо приготовить
раствор с плотностью 1,20 г/мл:
1,57
0,20
1,20
1,00
0,37
Следует смешать 20 масс. частей раствора с плотностью 1,57 г/мл с 37 масс.
частями воды.
Порядок выполнения работы.
1.
Получить от преподавателя контрольный раствор серной кислоты.
Определить его плотность и концентрацию. Для этого в стеклянный цилиндр налить на
2/3 объема исходный раствор. Осторожно опустить ареометр в жидкость, не выпуская его
из рук до тех пор, пока не станет ясно, что он плавает – иначе можно разбить ареометр о
дно цилиндра. После этого, отняв руку, дать ареометру принять нужное положение: он
должен вертикально находиться в центре цилиндра и не касаться его стенок и дна.
2.
Произвести отсчет по делениям ареометра, принимая за плотность то
значение шкалы, которое совпадает с уровнем жидкости (по нижнему мениску!). Отсчет
записать в тетрадь. После измерения ареометр вынуть из жидкости, хорошо обмыть и
вытереть.
3.
Пользуясь таблицей приложения, найти процентное содержание кислоты в
растворе. Если в таблице данная величина отсутствует, а есть близкие к ней, то
процентную концентрацию находят методом интерполяции по двум известным крайним
величинам рассчитывают промежуточную.
4.
Определить объем исходного раствора, и, зная его плотность, рассчитать
массу раствора. Зная данные величины, определить соотношения данного раствора и
воды, необходимых для приготовления раствора электролита требуемой концентрации
(значение концентрации получить от преподавателя). Помнить, что для разбавления
серной кислоты нужно кислоту добавлять в воду, а не наоборот!
5.
Приготовить конечный раствор электролита (использовать только
дистиллированную воду). Измерив его плотность с помощью ареометра,
проконтролировать концентрацию с помощью таблицы приложения. Приготовленный
раствор в конце занятия сдать преподавателю.
6.
Оформить работу, приведя все экспериментальные и расчетные данные.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какой электрод в свинцовом кислотном аккумуляторе является анодом, какой –
катодом? Как количественно соотносятся их потенциалы?
2. Какие процессы происходят на электродах кислотного аккумулятора при
зарядке и разрядке?
3. Как с помощью ареометра можно определить концентрацию и массу раствора?
4. Сколько воды надо прибавить к 100 мл 40%-го раствора азотной кислоты
плотностью 1,307, для приготовления 15%-го раствора?
ПРИЛОЖЕНИЕ.
Плотность растворов серной кислоты.
Плотность при
200С, г/мл
H2SO4
%
Плотность при
200С, г/мл
H2SO4
%
1,0051
1,0118
1,0184
1,0250
1,0317
1,0385
1,0453
1,0522
1,0591
1,0661
1,0731
1,0802
1,0874
1,0947
1,1020
1,1094
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1,2023
1,2104
1,2185
1,2267
1,2349
1,2432
1,2515
1,2599
1,2684
1,2769
1,2855
1,2941
1,3028
1,3116
1,3205
1,3294
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
1,1168
1,1243
1,1318
1,1394
1,1471
1,1548
1,1626
1,1704
1,1783
1,1862
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
1,3384
1,3476
1,3569
1,3663
1,3758
1,3854
1,3951
1,4049
1,4148
1,4248
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
Литература.
1. Коровин Н.В. и др. Курс общей химии. М.: Высшая школа. – 1999.
2. Зубрев Н.И. Инженерная химия на железнодорожном транспорте. М.: 1999.
3. Справочник химика-аналитика. М.: Металлургия, 1976.
4. Таубе П.Р. и др. Практикум по общей химии. 2-е изд. М.: Высшая школа, 1962.