Гальванические элементы

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая  Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

     Кафедра Химии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная  работа  №15

"Гальванические элементы"

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр. ИСТ-212

Шаранин В.Н.

 

 

Приняла:

Дорофеева И.Б.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Владимир 2012 г.

Теоретическая часть.

 

Электрохимические процессы – это гетерогенные окислительно-восстановительные процессы, сопровождающиеся  возникновением электрического тока или протекающие под воздействием электрического тока на границе раздела: электрод – раствор или расплав электролита. Электрохимические реакции протекают в химических источниках  электрической энергии: гальванических элементах, аккумуляторах, топливных элементах, при  электрохимической коррозии металлов и сплавов, в  процессах электролиза и др.

При погружении металла в раствор электролита, содержащий ионы этого металла, на границе раздела «металл  –  раствор»  устанавливается подвижное равновесие:

 

 

или, с учетом гидратации ионов:

 

 

Этому равновесию соответствует определенный скачок потенциала, называемый равновесным  электродным потенциалом. Электродный потенциал можно вычислить по уравнению Нернста:

 

Где    - стандартный электродный потенциал, В; n – количество электронов в электродной реакции;

  – активная концентрация ионов металла, моль/л.

Активная концентрация иона может  быть рассчитана по формуле:

 

 

 

Где – молярная концентрация электролита, моль/л; – коэффициент активности иона. 

Стандартные потенциалы металлических  электродов определяют по отношению  к стандартному водородному электроду, потенциал которого условно принят равным нулю. Если концентрация ионов  отличается от стандартных  условий, потенциал водородного  электролита  может быть  вычислен по уравнению  Нернста. Для растворов слабых электролитов:

 

 

 

Если известен рН раствора, то потенциал  водородного электрода может быть расcчитан по формуле:

 

 

 

Из двух любых электродов, имеющих  различные потенциалы, можно составить гальваническую цепь  или собрать гальванический элемент. Конструктивно гальванический элемент можно представить как  систему, состоящую из двух электродов, погруженных в раствор электролитов. Для замыкания внутренней электрической цепи растворы соединяют электролитическим  мостиком. Внешняя цепь замыкается металлическим проводником. Измерительные приборы  включаются во внешнюю цепь. Разность потенциалов катода и анода при силе тока во внешней цепи близкой к нулю составляет электродвижущую силу (ЭДС) элемента.

 

 

 

Вычислив по уравнению Нернста потенциалы катода и  анода, можно рассчитать теоретическое значение ЭДС элемента. При работе гальванического элемента на аноде протекают реакции окисления, на катоде — восстановления.

 

 

 

Выполнение работы.

 

Цель  работы: изучение метода измерения ЭДС гальванического элемента.

Приборы и реактивы: Потенциометр; медная и цинковая пластины мерные колбы на 50 мл – 2 шт.; мерные цилиндры на 10 мл – 2 шт. Растворы: сульфата цинка 0,05 М; сульфата меди (II) 0,1 М и 0,05 М. 

 

Опыт 1

 

Определение ЭДС цинк–медного гальванического  элемента

 

Приготовить 0,005 М раствор ZnSO4 путем разбавления 0,05 М раствора этой соли и, соответственно, раствор  0,1 М  CuSO4  разбавлением 0,5  М раствора. Растворы готовить следующим образом. Отмерить  пипеткой  или мерным  цилиндром  расчетное  количество  раствора  сульфата цинка, перенести в мерную  колбу  на  50  мл,  довести  дистиллированной водой до метки и перемешать. Аналогично приготовить и раствор сульфата меди.  Растворы  солей цинка  и меди налить  отдельно  в  стаканчики на 50 мл. 

Собрать гальванический элемент, как  показано на рис. 7. Для этого погрузите цинковую  пластину  в раствор сульфата  цинка,  а медную  –  в  раствор  сульфата  меди.  Для  замыкания  внутренней  цепи  элемента  солевой мостик  в  виде  изогнутой  трубки  с  гелем,  содержащим  хлорид  калия, опустить в раствор солей. Электроды с помощью проводов подключить к высокоомному  входу  потенциометра.  Измерить  разность  потенциалов электродов,  которая  должна  соответствовать  практическому  значению ЭДС элемента.

 

Рассчитать теоретическое значение ЭДС данного элемента по уравнению  Нернста, учитывая, что  коэффициент  активности ионов цинка в 0,005 М растворе сульфата цинка g = 0,48, а коэффициент  активности  ионов меди в 0,1 М растворе сульфата меди g = 0,16. Рассчитать относительную  ошибку  опыта.  Написать  схему  гальванического элемента и уравнения электродных реакций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обработка эксперементальных данных.

 

Расчеты.

 

Опыт 1

 

Рассчитаем теоретическое значение ЭДС данного элемента по уравнению Нернста:

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема гальванического элемента:

 

(А-) Zn/ZnSO₄//CuSO₄/Cu (К+)

     ^{0,005 М     0,1 М}

     

 

 

Уравнения электродных процессов:

 

(А-) Zn⁰-2e→Zn⁺²

 

(К+) Cu⁺²+2e→Cu⁰

 

 

Измеренное на потенциометре практическое значение ЭДС = 1,09 В.

Рассчитаем относительную ошибку опыта:

 

 

 

Выводы:

 

В результате проделанной  работы мы изучили метод измерения ЭДС гальванического элемента и вычисление относительной ошибки практического значения от теоритического. Мы так же составили схему гальванического элемента и уравнения электродных процессов.