Лабораторна робота № 9

ЕЛЕКТРОРУШІЙНА СИЛА (ЕРС) ГАЛЬВАНІЧНОГО ЕЛЕМЕНТУ

Мета роботи: знайомство з теоретичними основами пристрою і роботи гальванічних елементів. Експериментальне визначення ЕРС мідно-цинкового елемента при різній концентрації електролітів; визначення відносного потенціалу цинкового електроду.

Гальванічний елемент - це пристрій, у якому енергія хімічної реакції перетворюється в електричний струм. Проте гальванічні елементи використовуються не тільки як хімічні джерела струму. У лабораторній практиці часто застосовують потенціометричний метод дослідження, заснований на вимірі ЕРС певних елементів, для визначення концентрації, кислотності і так далі.

Методика визначення:

1. При вимірі ЕРС необхідно зберігати рівноважне значення потенціалів, тому в зовнішньому ланцюзі повинен бути відсутнім електричний струм. Для виміру ЕРС звичайно використовується компенсаційна схема (рис. 1)

Рис. 1. Компенсаційна схема для виміру ЕРС

Принцип виміру ЕРС компенсаційним методом полягає в тому, що досліджувана ЕРС_х компенсується напругою від акумулятора, що подається їй назустріч. Для цього клеми акумулятора підключаються до кінців дротового опору АВ. Клеми гальванічного елемента підключаються на відрізок того ж опору (АК), довжину якого можна змінювати, переміщуючи рухливий контакт К. При цьому потрібно стежити за правильністю підключення клем: у точці А виводяться однойменні клеми зовнішнього джерела (акумулятора) і гальванічного елемента. ЕРС акумулятора повинна бути більше, чим ЕРС_х. Тоді при деякому положенні контакту К напруга, що створюэться акумулятором на кінцях цієї ділянки, виявиться рівною за величиною ЕРС і компенсує її. Включений у ланцюг гальванометр (Г) покаже при цьому відсутність струму. При компенсації справедливо таке співвідношення:

Підбирати потрібний відрізок АК слід, замикаючи ланцюг на короткі миті за допомогою телеграфного ключу Т (щоб уникнути електролізу).

2. Зібравши компенсаційну схему, перший вимір проводять не з досліджуваним елементом, а з гальванічним елементом із точно відомою ЕРС. Це необхідно для визначення ЕРС акумулятора, що не являється постійною величиною. Як еталон електрорушійних сил використовується ртутно-кадмієвий елемент Вестона, ЕРС якого завжди постійна: ЕРС_{Вестона} = 1, 018 В. Домігшись компенсації при деякій позиції рухливого контакту (АК), обчислюють ЕРС акумулятора:

3. Складається гальванічний мідно-цинковий елемент: у стаканчики з розчинамиCuSO₄ та ZnSO₄ опускаються відповідно мідна і цинкова пластинка, і розчини з'єднуються сольовим містком. Умовний запис гальванічного елемента робиться таким способом: починаючи з анода, вказують послідовно усі тверді і рідкі фази, межі між ними позначаються вертикальною рисою, а сольовий місток - двома вертикальнимирисами:

(-) Zn|ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu (+).

Вказують концентрацію узятих розчинів солей (С₁ і C₂). Концентрації беруться за вказівкою викладача, наприклад1 н СuSO₄ та 1 н ZnSO₄; 1 н СuSO₄ та 0, 1 н ZnSO₄; 0, 1 н СuSO₄ та 1 н ZnSO₄.

Гальванічний елемент підключають у компенсаційну схему, пересовуючи контакт, домагаються компенсації й обчислюють ЕРС за формулою: .

Повторюють виміри й обчислюють ЕРС_х при різних концентраціях солей.

4. Для визначення відносного потенціалу цинку збирають гальванічний елемент із цинкового напівелементу з 0, 1 М розчином (або 1 М розчином) і електрода порівняння, наприклад, каломельного. Умовний запис елементу:

(-) Zn|ZnSO₄ || KСl+Hg₂Cl₂ | Hg (+). Компенсаційним методом вимірюють ЕРС_х цього елемента. Знайдене значення дорівнюють різниці потенціалів:

ЕРС_х =Е_кл – Е_Zn. Оскільки Е_кл = + 0, 244 В, Е_Zn = 0, 244 – ЕРС_x.

Завдання для самостійної роботи

Підготувати теоретичний матеріал за темою, оформити лабораторний журнал, підготуватися до відповіді на контрольні питання.

Контрольні питання:

1. Який механізм виникнення електродного потенціалу для металів різноманітної природи?

2. Що таке електродна реакція і яка вона для електродів першого роду?

3. Яким рівнянням виражається залежність рівноважного електродного потенціалу від природи металу і концентрації іонів?

4. Мідна пластина знаходиться в розчині солей CuSO₄ і K₂SO₄. Від концентрації яких іонів залежить потенціал міді відповідно до рівняння Нернста?

5. Що таке нормальний потенціал?

6. Чи можна виміряти потенціал j?

7. Як складається гальванічний елемент?

8. Що таке електрорушійна сила (ЕРС) елемента? Який її знак?

9. Що таке катод? анод?

10.Чому в гальванічній парі роль анода виконує той метал, що має більш високу хімічну активність?

11.Чому при розімкнутому зовнішньому ланцюзі рівновага на електродах не порушується?

12.Які процеси протікають на катоді й аноді при замиканні зовнішнього ланцюга?

13.Чому гальванічні елементи називають хімічними джерелами струму?

14. Що таке відносний потенціал?

15. Як улаштований водневий електрод (напівелемент)? Яка електродна реакція водневого електрода? У якому випадку потенціал водневого електрода являється нормальним і чому дорівнюють його величина?

16. Що означає знак і величина потенціалу електрода, за водневою шкалою?

17. Що таке електроди порівняння і для чого їх використовують?

18. У чому полягає компенсаційний метод виміру ЕРС?

19. Для якої мети служить елемент Вестона?

20. Як можна експериментально знайти відносний потенціал електрода?