Лабораторное оборудование

1 2 3 4

Лабораторная работа

Тема «Гальванический элемент»

Раздел «Электрохимические процессы»

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы – изготовление гальванического элемента, изучение работы гальванического элемента, расчет ЭДС элемента.

ТЕОРИЯ

Гальванический элемент

Краткие теоретические положения

Гальванический элемент (ГЭ) – это устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в энергию электрического тока. Теоретически для получения электрической энергии можно применить любую ОВР.

Рассмотрим один из наиболее простых ГЭ – медно–железный. В нем проводником соединяются пластинки из железа и меди, при этом каждый из металлов опущен в раствор соответствующей соли: сульфата железа (II) и сульфата меди (II). Полуэлементы соединены электролитическим ключом (электролитический ключ – U-образная трубка, заполненная каким-либо электролитом, чаще – насыщенным раствором хлорида калия), если находятся в разных сосудах (рис.1) или разделены пористой перегородкой, если находятся в одном сосуде.

На электродах в результате процесса обмена устанавливаются следующие равновесия, которым в стандартных условиях соответствуют стандартные электродные потенциалы:

Fe²⁺ + 2 ⇄ Fe φ⁰ _Fe_/_Fe = -0,44В

Cu²⁺ + 2 ⇄ Cu φ⁰_Cu_/_Cu = +0,34В

Потенциал железного электрода более отрицателен, чем потенциал медного электрода, поэтому при замыкании внешней цепи, т.е. при соединении железной и медной пластинок металлическим проводником, электроны будут переходить от железа к меди. В результате перехода электронов от железа к меди равновесие на железном электроде сместится влево, поэтому в раствор перейдет дополнительное число ионов Fe²⁺. В то же время равновесие на медном электроде сместится вправо и произойдет разряд ионов меди.

Таким образом, при замыкании внешней цепи возникают самопроизвольные процессы растворения железа на железном электроде и выделение меди на медном электроде. Данные процессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются потенциалы электродов или не растворится весь железный электрод (или не высадится на медном электроде вся медь).

Итак, при работе гальванического элемента протекают следующие процессы:

1) движение электронов во внешней цепи от железного электрода к медному, т.к. φ⁰ _Fe_/_Fe <;

2) реакция окисления железа Fe - 2 = Fe²⁺.

Процессы окисления в электрохимии называются анодными, а электроды, на которых идут процессы окисления, называют анодами;

3) реакция восстановления ионов меди Cu²⁺ + 2 = Cu.

Процессы восстановления в электрохимии называются катодными, а электроды, на которых идут процессы восстановления, называют катодами;

4) движение ионов в растворе: анионов (SO₄^2-) к аноду, катионов (Fe²⁺,Zn²⁺) к катоду, замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

Направление этого движения обусловлено электрическим полем, возникающим в результате протекания электродных процессов: у анода расходуются анионы, а у катода – катионы;

5) cуммируя электродные реакции, получаем: Fe + Cu²⁺ = Cu + Fe²⁺

или в молекулярном виде: Fe + CuSO₄ = Cu + FeSO₄.

Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи ионов внутри элемента, т.е. электрический ток, поэтому суммарная химическая реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей.

При схематической записи, заменяющей рисунок гальванического элемента, границу раздела между проводником 1–го рода и проводником 2–го рода обозначают вертикальной чертой, а границу раздела между проводниками 2–го рода – двумя чертами. Анод – источник электронов, поступающих во внешнюю цепь – принято считать отрицательным, катод – положительным. Например, электрохимическая схема ГЭ, рассмотренного выше, запишется в виде:

(-) Fe | FeSO₄ || CuSO₄ | Cu (+)

или в ионно-молекулярном виде:

(-) Fe | Fe²⁺ || Cu²⁺ | Cu (+)

Причиной возникновения и протекания электрического тока в гальваническом элементе является разность окислительно-восстановительных потенциалов (электродных потенциалов) частных реакций, определяющих электродвижущую силу ЭДС гальванического элемента, и в рассматриваемом случае:

В общем случае

где – потенциал катода, – потенциал анода.

Е_э всегда больше нуля.

Если реакция осуществляется в стандартных условиях, то наблюдаемая при этом ЭДС называется стандартной электродвижущей силой Е данного ГЭ.

Для рассмотренного выше ГЭ Даниэля–Якоби стандартная ЭДС = 0,34 – (-0,44)= 0,78 (В).

Зависимость электродного потенциала металлического электрода от концентраций (активностей) ионов металла в растворе при температуре 298К описывается уравнением Нернста:

(6)

Экспериментальная часть.

Цель работы – знакомство с принципом работы гальванического элемента.

Опыт 1. Составление гальванических элементов

Гальванические элементы составляют из металлов Ме₁ и Ме₂, погруженных в растворы собственных солей, соединенных электролитическим мостиком (ключом), который представляет собой изогнутую стеклянную трубку, заполненную насыщенным раствором хлорида калия (рис.2).

Рис. 2. Гальванический элемент: 1- электроды; 2 – стаканчики; 3 – растворы электролитов; 4 – электролитический мостик (ключ); 5 – гальванометр.

ОБОРУДОВАНИЕ

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.

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,

- 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.