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 специальности 220201.65
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
3
убыль электронов и стремясь тем самым восстановить равновесие.
Г
(+)
Zn
Cu
Cu2+
( )
Zn2+
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 + SO42- → Zn2+ + SO42- + 2e
Cu2+ + 2e + SO42- → Cu + SO42Zn + CuSO4 → Cu + ZnSO4
(анод )
( катод )
(суммарная реакция)
Так как в целом система всегда электронейтральна, символ электронов в суммарной реакции отсутствует.
В правом стакане образуется недостаток анионов SO42-,а в левом- избыток. Поэтому во внутренней цепи работающего гальванического элемента будет наблюдаться перемещение ионов SO42- из левого стакана в
правый через перегородку.
4
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= Еок. – Евосст
где
(2 )
ЭДС- электродвижущая сила;
Еок. – электродный потенциал электрода, имеющего большую
алгебраическую величину, то есть менее активного элемента;
Евосст - 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:
E
где
RT
ln C ,
n
E0
( 3)
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 мно-
житель перехода от натуральных логарифмов (2,303)к десятичным, получают удобную для применения формулу:
E
0.058
lg C
n
E0
(4)
Нормальным или температурным потенциалом называется потенциал растворения металла, погруженного в раствор собственного иона с кон5
центрацией 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:
ЭДС
0,058 C1
lg
n
C2
(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
6
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
7
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 металланод, 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.
8
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.
9
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
Подготовка к работе
1 час
Выполнение работы
2 часа
Обработка результатов эксперимента и оформление 1часа
отчета
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.
10
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
по курсу «Химия» для специальности 220201.65
всех форм обучения
Составила ТИМОШИНА Нина Михайловна
11
12