АПРОБАЦИЯ 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 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 элек- 3 тронов - 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. (+) 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 + SO42- (анод ) ( 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 SO 42-,а в левом- избыток. Поэтому во внутренней цепи работающего гальванического элемен- 4 та будет наблюдаться перемещение ионов SO42- 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= 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: RT ln C , n E = E0 + где ( 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: 5 E = E0 + 0.058 ⋅ lg C n (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 E 0 одинаковы, поэтому для расчета ЭДС такого элемента можно использовать формулу: ЭДС = где 0,058 C1 lg n C2 (5) 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. Ве- 6 личина 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 CuSO 4; колбы. 7 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 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,ZnSO 4 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 8 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) 9 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 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 11 по курсу «Химия» для технических направлений всех форм обучения Составила ТИМОШИНА Нина Михайловна 12