Министерство образования и науки Российской Федерации Саратовский государственный технический университет

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