Методическое обеспечение: Обухов В.М. Редактор: Гордеева Ю.В. 3D графика: Дубин А.Н.

Методическое обеспечение: Обухов В.М.
Редактор: Гордеева Ю.В.
3D графика: Дубин А.Н.
Script программирование: Демидов В.В.
Управление проектом: Сергиенко Е.В.
Лабораторная работа
Тема «Гальванический элемент»
Раздел «Электрохимические процессы»
1
1. ВВЕДЕНИЕ
Цель работы – изготовление гальванического элемента, изучение
работы гальванического элемента, расчет ЭДС элемента.
2
2. ТЕОРИЯ
При окислительно–восстановительных реакциях (ОВР) происходит
переход электронов от восстановителя к окислителю.
Если осуществить ОВР так, что полуреакции окисления и
восстановления будут пространственно разделены, то, если соединить
восстановитель и окислитель металлическим проводником, мы получим
направленное движение электронов – электрический ток.
Химические процессы, которые сопровождаются возникновением
электрического тока или протекают под действием электрического тока,
называются электрохимическими процессами.
Электрохимические процессы, в которых химическая энергия
превращается в электрическую энергию, протекают в химических
источниках электрической энергии (гальванический элемент, аккумулятор,
топливный элемент).
Прежде, чем разобрать процессы, протекающие в химических
источниках электрической энергии, рассмотрим понятие электродный
потенциал. Опустим металлическую пластинку в водный раствор
собственной соли. Например: цинковую пластинку в раствор сульфата
цинка.
Металлы имеют атомную структуру. В узлах кристаллов
расположены атомы и положительно заряженные ионы, связанные
делокализованными электронами.
При погружении металла в водный раствор, полярные молекулы
воды взаимодействуют с поверхностными ионами металла. В результате
взаимодействия происходит вырывание положительных ионов из металла,
а электроны остаются в кристалле металла.
Металл, в котором остались электроны, становится заряженным
отрицательно, а раствор, в который перешли положительно заряженные
ионы металла – положительно. Ионы из раствора притягиваются к
отрицательно заряженной поверхности металла, однако, оболочка из
молекул воды препятствует их взаимодействию (см. тему растворы, раздел
диссоциация электролитов). Поэтому положительно заряженные ионы
концентрируются у поверхности
e− · Me+
e− · Me+
e− · Me+
Металл
e−
e−
e−
Н2О
Н2О
Н2О
Раствор
Me+ · Н2О
Me+ · Н2О
Me+ · Н2О
Металл Раствор
Таким образом, на границе металл – раствор возникает двойной
электрический слой.
3
Разность потенциалов на границе металл – раствор называется
электродным потенциалом, а система металл – раствор называется
электродом.
Данный процесс является обратимым. Процесс перехода ионов в
раствор – это реакция окисления; обратная реакция – восстановление
ионов из раствора до атомов металла
Окисление
(Me · H2O)m+ + me-
Me + mH2O
Восстановление
Равновесие имеет динамический характер. В зависимости от условий
процесс смещается в сторону окисления или восстановления. Потенциал,
устанавливающийся в условиях равновесия реакций окисления и
восстановления на электроде, называется равновесным электродным
потенциалом.
Электрод, на котором идет процесс окисления, обозначают: Ме / Меn+,
электрод, на котором идет процесс восстановления: Меn+ / Ме.
На величину электродного потенциала влияют:
- природа металла;
- концентрация катионов, в растворе электролита;
- температура.
Количественно эта зависимость выражается уравнением Нернста
е = е0 + R·T · Ln [Меn+ ] / nF
где
е – равновесный электродный потенциал, В;
е0 – стандартный электродный потенциал, В;
R – универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/мол 0К;
Т – температура, 0К;
n – число электронов, принимающих участие в процессе (заряд
иона);
F – постоянная Фарадея, 96,500 Кл/мол;
[Меn+ ] – концентрация ионов в растворе электролита.
При температуре 298 0К (25 0С) уравнение Нернста имеет вид:
е = е0 + 0.059 · Lg [Меn+ ] / n
Стандартный электродный потенциал – потенциал данного
электрода при температуре 2980К (25 0С) и молярной концентрации ионов
в растворе 1,0 мол/л.
Абсолютное значение электродного потенциала экспериментально
определить невозможно. Определяют относительные значения
электродных потенциалов по водородной шкале. За нуль принято
значение потенциала водородного электрода при стандартных условиях
4
2Н+ + 2е-
Н2
е0Н2/2Н+ = 0 (В)
Если расположить электроды в ряд в порядке возрастания
потенциалов, то получим ряд стандартных электродных потенциалов
К/К+
-2.92
Na/Na+ Mg/Mg2+ Zn/Zn2+
-2.71
-2.36
-0.46
Fe/Fe2+ H2/2H+
-0.44
0
Cu/Cu2+
+0.34
Ряд стандартных электродных потенциалов дает количественную
электрохимическую характеристику металлов:
С уменьшением величины электродного потенциала – возрастает
способность атома металла окисляться до иона
Ме – neMen+
Например: е0Fe/Fe2+ = -0.44 (В) e0 Zn/Zn2+ = -0.76 (В)
Fe – 2e- = Fe2+
Zn – 2e- = Zn2+
Атомы цинка легче окисляются, чем атомы железа.
С увеличением величины электродного потенциала – возрастает
способность ионов металла восстанавливаться до атома
Меn+ + neMe
0
2+
0
Например: е Fe/Fe = -0.44 (В) e Zn/Zn2+ = -0.76 (В)
Fe2+ + 2e- = Fe
Zn2+ + 2e- = Zn
Ионы железа легче восстанавливаются, чем ионы цинка.
Химические источники электрической энергии (ХИЭЭ)
- устройства, преобразующие энергию химической реакции в
электрическую энергию.
ХИЭЭ, в которых протекают необратимые окислительновосстановительные реакции (используются однократно), называются
гальваническими элементами. ХИЭЭ, в которых протекают обратимые
окислительно-восстановительные реакции (допускают многократное
использование) называются аккумуляторами.
Гальванический элемент.
Цинк-медный гальванический элемент состоит из: цинкового электрода
(цинковой пластинки, опущенной в раствор сульфата цинка) и медного
электрода (медной пластинки, опущенной в раствор сульфата меди). Обе
пластинки соединены проводником, а сосуды с раствором –
электролитическим мостиком (трубка с раствором соли).
При изготовлении цинкового электрода на границе поверхности
цинковой пластины и электролита возникает двойной электрический слой
и устанавливается равновесие
Zn
Zn2+ + 2e-.
На медном электроде также устанавливается равновесие
Cu2+ + 2е-.
Cu
5
eанод
Zn2+
( + ) катод
(_)
SO42-
Zn
Cu
Cu2+
SO42-
SO42-
eo = +0,34В
eo = -0,76В
Cu <=> Cu2+ + 2е-
Zn <=> Zn2+ + 2e-
Так как цинковый электрод имеет более низкое значение электродного
потенциала (–0,76 В), чем медный электрод (+0,34 В), то на цинковом
электроде легче идет окисление, поэтому больше накапливается
свободных электронов. При замыкании внешней цепи электроны будут
переходить от цинкового электрода к медному электроду.
По отклонению стрелки гальванометра можно судить, что по внешней
цепи идет электрический ток.
В результате на цинковом электроде равновесие сместится вправо –
т.е. в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. Будет
наблюдаться растворение цинковой пластинки. На цинковом электроде
протекает процесс окисления
Zn – 2e- = Zn2+
В то же время медный электрод принимает электроны из внешней
цепи и на нем также смещается равновесие, только в обратную сторону
(влево). Ионы из раствора выделяются в виде атомов на медной пластине.
На медном электроде идет процесс восстановления
Cu2+ + 2е- = Cu
В электрохимии электрод, на котором идет процесс окисления,
называется анодом (более активный металл). Электрод, на котором
протекает процесс восстановления, называется катодом (менее активный
металл).
На цинковом электроде катионы, переходя в раствор с цинковой
пластины, заряжают его положительно. На медном электроде катионы
меди, переходя из раствора на медную пластину, заряжают раствор
отрицательно за счет избытка сульфат-ионов. Поэтому в элементе
наблюдается направленное движение ионов (SO42-) от медного электрода к
цинковому.
Итак, при работе гальванического элемента имеет место:
- движение электронов по внешней цепи – электронная проводимость;
- движение ионов в растворе – ионная проводимость.
Суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции
протекающей в гальваническом элементе:
6
- в ионном виде Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu;
- в молекулярном виде Zn + CuSO4= ZnSO4 + Cu
Гальванический элемент записывают в виде электрохимической
схемы. Электрохимическая схема цинк–медного гальванического элемента
eА (–) Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu (+) K
SO4
Краткая электрохимическая схема
А (–) Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu (+) K
Максимальное
напряжение,
которое
(электродвижущую силу) рассчитывают
Э. Д. С. = екатода - еанода
дает
элемент
Э. Д. С. цинк–медного гальванического элемента для стандартных условий
Е0 = (+0,34) – (–0,76) = 1,10 В
7
3. ОБОРУДОВАНИЕ
3.1. Активные клавиши
Рис. 3.1. Функции манипулятора
Левая клавиша мыши (ЛКМ) - при нажатии берется объект (бутыль,
мостик, провода)
Средняя клавиша мыши (СКМ) - при прокрутке назад (на себя) сцена
отдаляется, при прокрутке вперед (от себя) сцена приближается.
Правая клавиша мыши (ПКМ) – не используется
Движение мыши:
движение вправо - сцена движется вправо,
движение влево - сцена движется влево,
движение вверх - сцена движется вверх,
движение вниз - сцена движется вниз.
3.2. Лабораторное оборудование
Для проведения лабораторной работы необходимо следующее
оборудование:
- 2 лабораторные склянки с растворами с надписью:
1 – CuSO4 ,
2 – ZnSO4,
- 2 стакана,
- цинковая пластинка,
- медная пластинка,
- 2 металлических провода с клеммами на концах,
8
- электролитический мостик,
-милливольтметр.
Справа находится кнопка вызова меню (рис. 3.2). В меню можно
увидеть кнопки управления («Начать заново», «Выход») и кнопку для
вызова окна настроек (рис. 3.4), в котором можно включить
полноэкранный режим, настроить качество графики. Для выхода из
полноэкранного режима нажать клавишу ESC.
Рис. 3.2. Кнопка вызова меню
Рис. 3.3. Боковое меню
9
Рис. 3.4. Окно настроек
10
4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Цель работы: изготовление гальванического элемента, изучение
работы гальванического элемента, расчет ЭДС элемента.
Изготовим медный электрод. Для этого берем склянку с раствором
CuSO4 (раствор голубого цвета) и наполняем первый стакан на 2/3 его
высоты раствором сульфата меди.
Изготовим цинковый электрод. Для этого берем склянку с раствором
ZnSO4 (бесцветный раствор) и наполняем второй стакан на 2/3 его высоты
раствором сульфата алюминия.
Взять медную и цинковую пластины и опустить их в стакан с
растворами.
Взять металлический провод и соединить его одним концом
клеммами с медной пластинкой, а другим концом – с гальванометром.
Другой металлический провод соединяем одним концом с цинковой
пластинкой, а другим концом – со вторым полюсом гальванометра. Таким
образом, мы соединили через гальванометр две металлические пластинки.
Берем электролитный мостик (U-образная стеклянная трубка) и
одним концом опускаем в стакан с раствором сульфата меди и с медной
пластинкой, а другим концом – в стакан с раствором сульфата цинка и с
цинковой пластинкой. Цепь оказалась замкнутой.
Наблюдаем отклонение стрелки гальванометра.
В отчете:
составить
электрохимическую
схему
медно-цинкового
гальванического элемента,
- написать уравнения процессов, идущих на медном и цинковом
электродах,
написать
молекулярное
уравнение
окислительновосстановительной реакции протекающей при работе медно-цинкового
гальванического элемента,
- рассчитать ЭДС при стандартных условиях и при концентрации
ионов металлов в растворе, равной 0,001 моль/л.
Последовательность действий:
1. Взять бутыль с CuSO4 и налить вещество в первый стакан (нажатие ЛКМ
на бутыль);
2. Взять бутыль с ZnSO4 и налить вещество во второй стакан (нажатие ЛКМ
на бутыль);
3. Взять мостик из медной и цинковой пластин и поместить его в стаканы с
растворами (нажатие ЛКМ на мостик из пластин);
4. Взять металлические провода с клеммами и подключить их к мостику из
пластин и гальванометру (нажатие ЛКМ на провода);
5. Взять электролитный мостик и поместить его в стаканы (нажать ЛКМ на
мостик);
6. Наблюдаем отклонение стрелки гальванометра в сторону CuSO4.
11
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие процессы называются электрохимическими.
2. Механизм возникновения электродного потенциала на границе
металл-электролит.
3. Влияние различных факторов на величину электродного потенциала.
Уравнение Нернста. Стандартный электродный потенциал.
4. Измерение электродного потенциала.
5. Ряд стандартных электродных потенциалов.
6. Химические источники электрической энергии. Гальванический
элемент. Аккумулятор.
7. Устройство и принцип работы гальванического элемента. Анод.
Катод.
8. Электрохимическая схема гальванического элемента.
9. Э.Д.С. гальванического элемента.
10.Концентрационные гальванические элементы.
12
6. ОТЧЕТ
6.1 Форма отчета
Цель работы _____________________________________________
Наблюдения эксперимента _______________________________ _____
Электрохимическая схема __________________________________
Уравнение электронных процессов, протекающих на электродах
_____________________________________________________________
Уравнение окислительно-восстановительной реакции протекающей при
работе гальванического элемента ________________________________
Расчет ЭДС гальванического элемента ________________________
Работу выполнил _________________________________________________
Отчет принял ____________________________________________________
«____» _______________________20___г
13
7. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коровин Н.В. Общая химия. М., Высшая школа, 2002 г.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. Л., Химия, 2004 г.
3. Обухов В.М. Общая химия: Учебное пособие. – Тюмень: ТюмГНГУ,
2004г.
14