Всех форм обучения

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Методические указания

К выполнению лабораторной работы

По курсу «Химия» для технических направлений

всех форм обучения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Балаковского института техники, технологии и управления

Балаково

Цель работы: изучить принцип работы гальванических элементов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Гальванические элементы – химические источники (генераторы) электрической энергии. Они представляют собой системы, состоящие из двух электродов (проводников 1 рода), погруженных в растворы электролитов (проводников П 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 (1)

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.1 видно, что 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 электрода Zn цинк начинает переходить в раствор в виде ионов, восполняя

убыль электронов и стремясь тем самым восстановить равновесие.

Рис.1. Схема гальванического элемента

Таким образом, на цинковом электроде идет процесс окисления:

Zn⁰ – 2e → Zn²⁺ (анодный процесс)

В то же, время вследствие притока электронов, медный электрод заряжается более отрицательно, чем при равновесном состоянии. Ионы меди, находящиеся в растворе, подходя к электроду, принимают от него по два электрона и в виде атомов осаждаются на поверхности. На медном электроде происходит процесс восстановления:

Cu²⁺ + 2e → Cu⁰ (катодный процесс)

Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом.

Ниже приводятся реакции, протекающие на электродах.

Zn + SO₄^2- → Zn²⁺ + SO₄^2- + 2e (анод) Cu²⁺ + 2e + SO₄^2- → Cu + SO₄^2- (катод)

Zn + CuSO₄ → Cu + ZnSO₄ (суммарная реакция)

Так как в целом система всегда электронейтральна, символ электронов в суммарной реакции отсутствует.

В правом стакане образуется недостаток анионов SO₄^2-, а в левом- избыток. Поэтому во внутренней цепи работающего гальванического элемента будет наблюдаться перемещение ионов SO₄^2- из левого стакана в правый через перегородку.

Рассмотренный гальванический элемент при записи изображается схемой: (-)Zn / ZnSO₄ | | CuSO₄ / Cu (+) или в ионном виде:

(-)Zn / Zn²⁺ | | Cu²⁺/Cu, где одиночные вертикальные линии означают границу металл-раствор электролита, а двойная – раствор-раствор.

Гальванические элементы характеризуются электродвижущей силой, которая может быть рассчитана как разность потенциалов электродов, составляющих гальванический элемент:

ЭДС= Е_ок. – Е_восст (2)

где ЭДС- электродвижущая сила;

Е_ок. – электродный потенциал электрода, имеющего большую

алгебраическую величину, то есть менее активного элемента;

Е_восст - электродный потенциал электрода, имеющего меньшую

алгебраическую величину, то есть более активного металла.

Электродный потенциал металла, опущенного в раствор собственной соли при комнатной температуре, зависит от концентрации одноименных ионов и определяется по формуле Нернста:

, (3)

где 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, г-мольл.

Подставляя значения R, F, стандартное температуры Т=298⁰К и множитель перехода от натуральных логарифмов (2, 303)к десятичным, получают удобную для применения формулу:

(4)

Нормальным или температурным потенциалом называется потенциал растворения металла, погруженного в раствор собственного иона с концентрацией ионов металла, равной единице (1г-ион/л), измеренный по сравнению с нормальным электродом, потенциал которого условно принимают равным нулю, при температуре t=25⁰С и давлении P=1 атм.

Величины стандартных потенциалов позволяют решать вопрос о направлении возможного протекания окислительно-восстановительных реакций.

При работе гальванического элемента электрохимическая система с более высоким значением электродного потенциала выступает в качестве окислителя, а с более низким - восстановителя.

Гальванические элементы могут быть составлены из двух совершенно одинаковых по природе электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, но различной концентрации. Такие элементы называются концентрационными.

В концентрационных цепях для обоих электродов величины n и E⁰ одинаковы, поэтому для расчета ЭДС такого элемента можно использовать

формулу:

(5)

где С₁– концентрация электролита в более концентрированном растворе;

С₂ - концентрация электролита в более разбавленном растворе.

Практического значения как источников электрической энергии они

не имеют; их ЭДС даже при огромной разности концентраций не превосходит нескольких десятков милливольт.

Разность между фактическим потенциалом катода и теоретическим электродным потенциалом E называется перенапряжением на катоде. Величина перенапряжения зависит от природы катода, состояния его поверхности, температуры и плотности тока.

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.

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, необходимо вливать кислоту осторожно, небольшими порциями в холодную воду, перемешивая раствор.

6. По окончании работы необходимо 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: металлы магний и цинк; 0, 1 н раствор CuSO₄; колбы.

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: р-р хлорида калия (концентрированный), растворы солей, 1 р; стаканы.

В один стакан налейте до ¾ объема 1н раствора соли металла, являющегося анодом, а в другой- такой же объем 1 н раствора соли металла, являющегося катодом. Оба стакана соедините V-образной трубкой, заполненной концентрированным раствором KCl. 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 измерительным прибором. Замкните цепь и отметьте по гальванометру направление тока.

Составьте схему гальванического элемента.

Напишите электронные уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде данного гальванического элемента.

Задание 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АНОДА ИЗ УКАЗАННОГО

НАБОРА ПЛАСТИНОК

Приборы И реактивы: Zn, Cu, Fe, Al –металлы, сульфат цинка, ZnSO₄ 1 н, сульфат медиCuSO₄ 1 н, сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ 1 н.

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 (опыт 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.

ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ЖУРНАЛА

Лабораторный журнал заполняется по следующей схеме:

1. Дата выполнения работы.

2. Название лабораторной работы и ее номер.

3. Название опыта и его цель.

4. Наблюдения, уравнения реакций, схема прибора.

5. Выводы.

6. 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(4 M)

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

7. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал 1, 23 В. Вычислите концентрацию ионов Mn²⁺ в моль/л.

Время, отведенное на лабораторную работу

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1.Коровин Н.В.Общая химия. учебн. для технических направлений и спец.вузов.-М.: Высш.шк., 2002.-559с.; ил.

2.Некрасов Б.В.Основы общей химии.-Т.1, 2.-М..Химия, 1973.-650 с.

Дополнительная

1.Коровин Н.В. Общая химия: учебн.для техн.направлени й и спец.вузов.-М.: Высш.шк., 2002.-599с.; ил

2.Некрасов Б.В. Основы общей химии.Т.1, 2.-М.: Химия, 1973, -650 с.