Определение ЭДС гальванических элементов, составленных из различных металлов в растворах их солей и концентрационных элементов с переносом ионов

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Отчёт по лабораторной работе

Определение ЭДС гальванических элементов, составленных из различных металлов в растворах их солей и концентрационных элементов с переносом ионов

Цель работы:

1) Измерить э.д.с. гальванических элементов, составленных из медного и цинкового электродов.

2) Экспериментально определить потенциалы медного и цинкового электродов при соответствующих концентрациях при помощи хлорсеребряного электрода сравнения.

3) Вычислить активности ионов меди и цинка при помощи уравнения Нернста.

4) Вычислить относительную и абсолютную погрешности измерения активностей ионов меди и цинка.

1. Теоретическая часть

гальванический потенциал медный цинковый

Гальванический элемент.

Гальванические элементы - устройства, которые непосредственно преобразуют энергию химической реакции в электрическую энергию. Их также называют химическим источниками электрической энергии (ХИЭЭ).

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительных реакций. В простейшем случае гальванический элемент состоит из металлических пластин различных металлов опущенных в раствор электролита. При этом окисление протекает на одном металле, а восстановление на другом металле. Электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешне цепи.

Рис.1. Схема медно-цинкового гальванического элемента

Рассмотрим медноцинковый элемент Даниэля (Рис.1). Этот элемент состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены пористой перегородкой.

При работе элемента цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобожденные электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Процесс окисления выражается уравнением:

(1.1)

На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующими ионами меди, образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Электрохимическое уравнение катодного процесса примет вид

(1.2)

Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получиться при сложении обеих полуреакций:

(1.3)

Рис. 2. Схема движения ионов в электролите

Направление движения ионов в растворе обусловлено протекающими у электродов электрохимическими процессами. У цинкового электрода катионы выходят в раствор, создавая в нем избыточный положительный заряд, а у медного отрицательный, так как он обедняется ионами. В результате этого создается электрическое поле, в котором происходит движение ионов (Рис.2).

Электродные потенциалы.

Каждая окислительно-восстановительная реакция слагается из полуреакций окисления и восстановления (1.1) и (1.2). Протекающей в гальваническом элементе окислительно-восстановительной реакции соответствует э.д.с. этого элемента E, связанная с изменением энергии Гиббса реакции уравнением:

(1.4)

В соответствии с разделением окислительно-восстановительной реакции на две полуреакции, электродвижущие силы также принято представлять в виде разности двух величин, каждая из которых отвечает данной полуреакции. Эти величины называются электродными потенциалами.

Таким образом, э.д.с. гальванического элемента ДЕ можно представить как разность электродных потенциалов Е.

(1.5)

Изменение энергии Гиббса , которое отвечает термодинамически обратимому восстановлению одного моля ионов меди, равно

(1.6)

А изменение энергии Гиббса , отвечающее термодинамически обратимому окислению одного моля атомов цинка. Равно

 (1.7)

В результате изучения потенциалов различных электродных процессов установлено, что их величины зависят от следующих трех факторов:

1) Природа вещества

2) Соотношение между концентрациями

3) Температура системы

Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

(1.8)

где - стандартный электродный потенциал, - газовая постоянная, T - абсолютная температура, z - число электронов, принимающих участие в процессе. F- число Фарадея равное 96500, и активности окисленных и восстановленных форм вещества соответственно. Активность связана с коэффициентом активности следующим соотношением:

, (1.9)

где m - моляльность раствора.

Если в этом уравнении активности (концентрации) равны единице, то потенциал, отвечающий этому случаю, называется стандартным электродным потенциалом Е^о. Таким образом, стандартный электродный потенциал - это потенциал электродного процесса при концентрациях всех участвующих в нем веществ, равных единице. На величину стандартного электродного потенциала влияет только природа вещества.

2) Экспериментальная часть работы

Методика исследования.

Измерение потенциалов медного и цинкового электродов заключается в поочередном измерении э.д.с. гальванического элемента с хлорсеребряным электродом сравнения при помощи потенциометра.

Сначала измерим э.д.с гальванического элемента, составленного из медного и цинкового полуэлементов ДЕ_Сu/Zn. За тем, измерим э.д.с. элемента составленного из медного и хлорсеребряного электродов ДЕ_Сu/AgCl. После, измерение э.д.с. проведем для системы, составленной из хлорсеребряного и цинкового электродов ДЕ_Zn/AgCl. В результате сумма э.д.с. элементов с электродом сравнения должна равняться э.д.с. гальванического элемента, составленного из медного и цинкового полуэлементов.

ДЕ_Сu/Zn = ДЕ_Сu/AgCl + ДЕ_Zn/AgCl (1.10)

Зная величины ДЕ_Сu/AgCl , ДЕ_Zn/AgCl и э.д.с. хлорсеребряного электрода сравнения Е_AgCl, равного 0,2222 В, можно рассчитать Е_Сu и Е_Zn:

Е_Сu = ДЕ_Сu/AgCl + Е_AgCl (1.11)

Е_Zn = Е_AgCl - ДЕ_Zn/AgCl (1.12)

В итоге должно выполниться равенство

ДЕ_Сu/Zn = Е_Сu - Е_Zn (1.13)

Расчеты.

Результаты измерений и вычислений занесем в таблицу 1.

Таблица 1

Рассчитаем потенциалы

1. Е_Сu = ДЕ_Сu/AgCl + Е_AgCl = 0,0801+ 0,2222 =0,3023

Е_Zn = Е_AgCl - ДЕ_Zn/AgCl = 0,2222 - 1,0267 =

ДЕ_Сu/Zn^* = Е_Сu - Е_Zn = - ( ) =1,1068

2. Е_Сu = ДЕ_Сu/AgCl + Е_AgCl = 0,0920+0,2222 = 0,3142

Е_Zn = Е_AgCl - ДЕ_Zn/AgCl = 0,2222 - 1,0114 = -

ДЕ_Сu/Zn^* = Е_Сu - Е_Zn = - ( ) =1,1034

3. Е_Сu = ДЕ_Сu/AgCl + Е_AgCl = 0,0797+0,2222 =

Е_Zn = Е_AgCl - ДЕ_Zn/AgCl = 0,2222 - 1,0161 = -

ДЕ_Сu/Zn^* = Е_Сu - Е_Zn = - ( - ) = 1,0958

4. Е_Сu = ДЕ_Сu/AgCl + Е_AgCl = 0,0947 + 0,2222 =

Е_Zn = Е_AgCl - ДЕ_Zn/AgCl = 0,2222 - 1,0295 = -

ДЕ_Сu/Zn^* = Е_Сu - Е_Zn = - ( - ) = 1,1242

Расчет потенциалов электродов меди и цинка. Активность восстановленной формы вещества примем равной единице.

 =

1.

В

Результаты расчетов занесем в таблицу 2.

Рассчитаем погрешности измерения электродных потенциалов

Пример расчета:

1) Абсолютная погрешность

В

2) Относительная погрешность

Результаты вычисления погрешностей занесем в таблицу 3.

Таблица 3

Вывод

В данной работе были измерены потенциалы медного и цинкового электродов при различных концентрациях растворов электролитов при температуре 25 С ^о. Рассчитаны величины погрешностей измерения электродных потенциалов.

Размещено на Allbest.ru