Электродвижущие силы (эдс) и напряжение гальванических элементов

Цель работы: овладение методикой измерения ЭДС и напряжения гальванических элементов

и изучение зависимости напряжения от плотности тока.

Если в гальваническом элементе протекает суммарная электродная реакция

bB + dD Û lL + mM

то ЭДС (Е_э) этого элемента записывается уравнением:

 

,

 

где: - стандартная ЭДС,-В;

; ; ; – активности реагирующих веществ и продуктов реакции, моль/л.

Например, для реакции:

 

Zn + 2Ag⁺ Û Zn²⁺ + 2Ag

 

Так как активности твердых цинка и серебра принимаются равными единице, то уравнение упрощается:

Стандартную ЭДС гальванического элемента можно рассчитать либо по известным значениям стандартной энергии Гиббса реакции:

либо по разности стандартных равновесных потенциалов электродов:

 

 

Воспользовавшись вторым способом, получим:

 

E = 0,80B – (-0,76)B = 1,56 B

Зная стандартное значение ЭДС (потенциала) и активности ионов, можно рассчитать ЭДС

элемента (равновесный потенциал).

Если в токообразующих реакциях участвуют газообразные вещества, ЭДС элемента зависит от

парциальных давлений этих веществ. Например, ЭДС элемента, в котором протекает реакция:

 

Zn + Cl₂ Û Zn²⁺ + 2Cl^-

определяют по уравнению

 

,

 

где: - парциальное давление хлора.

Напряжение гальванического элемента меньше ЭДС из–за поляризации электродов и

омических потерь:

 

U = E_Э – IR – DE_Э,

 

где: I – ток, А; R - омическое сопротивление, Ом; ΔE_Э - поляризация элемента, равная сумме

поляризаций катода и анода, В.

С увеличением плотности тока возрастают поляризация и омическое падение напряжения. Таким образом, при увеличении плотности тока напряжение элемента падает. Кривая зависимости напряжения элемента от силы или плотности тока получила название вольтамперной кривой. По мере работы элемента (разряда) уменьшается концентрация исходных реагентов и увеличивается концентрация продуктов реакции, поэтому в соответствии с уравнением Нернста ЭДС элемента уменьшается. Кроме того возрастает поляризация элемента. Поэтому при разряде элемента напряжение его постепенно падает. Кривая изменения напряжения во времени в процессе разряда называется разрядной кривой элемента.

 

Опыт 1. Измерение ЭДС и напряжения элемента.

Измерение ЭДС

Гальванические элементы собирают из двух металлических электродов, помещенных в два отдельных стакана, соединенных электролитическим ключом, который представляет собой изогнутую стеклянную трубку, заполненную насыщенным раствором хлорида калия (рис. 1).

Соберите гальванический элемент, для этого подготовьте две электродные схемы, состоящие из металлов, погруженных в растворы собственных солей. Конкретные металлы – Zn и Cu.

Рисунок 1. Гальванический элемент с электролитическим ключом.

1. Электроды;

2.Сосуд;

3. Растворы электролита;

4.Электролитический ключ.

Сосуды для растворов предварительно вымойте проточной водой под краном, ополосните дистиллированной водой, затем раствором соли соответствующего металла и залейте этот раствор на 2/3 объема сосуда.

Металлические пластинки тщательно зачистите наждачной бумагой, промойте проточной водой под краном и погрузите в сосуды с раствором соли.

Проследите, чтобы места спая металлической пластины с проводником не касались раствора.

После этого подключаем гальванический элемент к высокоомному вольтметру и измеряем ЭДС. Это более простой, но менее точный метод измерения ЭДС, который заключается в прямом измерении напряжения на клеммах гальванического элемента с помощью вольтметра, имеющего высокое входное сопротивление. Вследствие высокого сопротивления мала сила тока, протекающего через элемент, поэтому невелика разница между ЭДС и напряжением элемента. Однако, даже малый ток в цепи приводит к потерям (І·R) и в результате измеряют не ЭДС, а напряжение гальванического элемента. В качестве высокоомного вольтметра в работе используется рН – метр.

 

1.Запишите уравнения электродных и токообразующей реакций.

2.По уравнению Нернста рассчитайте величины равновесных потенциалов электродов, использованных в элементе. Примите, что активность ионов равна концентрации.

3.Рассчитайте ЭДС и сравните ее с экспериментальным значением. Рассчитайте стандартную ЭДС элемента.

4.Используя измеренную величину ЭДС, определите энергию Гиббса токообразующей реакции и стандартную энергию Гиббса (см. Общая химия, Коровин Н.В. 2002г., стр.267). Определите стандартную энергию Гиббса по термодинамическим данным и сравните ее с расчетной.

 

Напряжение элемента.

Измерение напряжения проводят на установке, состоящей из амперметра для прямого измерения тока в цепи, проходящего через измеряемый элемент, вольтметра для прямого измерения напряжения на клеммах элемента и сопротивления для регулирования тока в цепи (в отчете приведите схему установки).

Соберите гальванический элемент и подключите его к установке для измерения напряжения. Постепенно повышайте плотность тока, записывая напряжение элемента. Снимите 3-4 показания в течение 15 минут.

Результаты опыта сведите в таблицу:

 

Таблица 1

Зависимость напряжения гальванического элемента от плотности тока (или тока)

в цепи.

 

Номер измерения	Плотность тока, А/м^2 или ток, А	Напряжение элемента, В

 

По данным таблицы постройте кривую зависимости напряжения элемента от плотности тока (вольтамперную кривую). Объясните, почему напряжение элемента не равно ЭДС и уменьшается при повышении плотности тока.