Определение ЭДС гальванического элемента

И потенциалов отдельных электродов

В зависимости от концентрации растворов

Цель работы

Усвоить теоретические сведения о природе электрохимического потенциала, влиянии ряда факторов на его величину; освоить методику экспериментального определения величины ЭДС гальванического элемента и потенциалов отдельных электродов; изучить зависимость потенциала электрода от концентрации электролита; сравнить полученные данные с теоретическими расчетами.

 

Вопросы коллоквиума

1. Причины возникновения скачка потенциала на границе проводник первого рода – электролит.

2. Физический смысл величины электродного потенциала. Стандартный электродный потенциал. Связь величины ЭДС гальванического элемента с термодинамическим потенциалом.

3. Зависимость электродного потенциала и ЭДС гальванического элемента от концентрации электролита (уравнение Нернста). Вывод уравнения Нернста.

4. Типы электродов.

5. Концентрационные гальванические элементы.

 

Приборы и реактивы

 

1. Потенциометр постоянного тока P 363;

2. Насыщенный раствор KCl;

3. Соли для приготовления электролита (CuSO₄ ∙5H₂O, ZnSO₄∙7H₂O);

4. Сосуды для электродов – 2шт., электроды (медный и цинковый) с присоединенными к ним проводниками – 2 шт.;

5. Мерные цилиндры на 100 см³ – 2 шт., лабораторная посуда.

Методика выполнения работы и её обоснование

 

Принципиальная схема установки

Экспериментальная установка для определения величины ЭДС гальванического элемента и потенциалов отдельных электродов включает в себя электролитическую ячейку и изображенный на рисунке потенциометр постоянного тока P 363.

Потенциометр состоит из трех блоков: измерительного блока (БИ), автокомпенсатора напряжения (АК), блока усилителя и стабилизатора напряжения (СН).

Подготовка потенциометра к работе

Осматривают панель блока измерения (БИ) и блока автокомпенсатора (АК). Два ряда (U₁ и U₂) измерительных декадных переключателей (блок БИ) должны быть установлены на отметке 0. В зависимости от того, какие клеммы используются в работе (X₁ или X₂), измерения производят с помощью соответствующего ряда декадных переключателей (U₁ или U₂). Кнопка “измерение” блока (АК) должна быть в отжатом положении, ручку чувствительности блока (АК) устанавливают в положение 1.

Включают все блоки потенциометра в сеть и прогревают их перед началом измерения не менее 40 минут.

Порядок работы на потенциометре

(ручка чувствительности блока АК находится в положении 1)

1. Соблюдая полярность подключают источник измерения ЭДС к зажимам X₁, ставят переключатель рода работы в положение X₁ (блок БИ).

2. Нажимают и зафиксируют кнопку “измерение” на блоке АК.

3. Посредством декадного переключателя И₁ (блок БИ) компенсируют измеряемую ЭДС так, чтобы стрелка выходного прибора блока АК была подведена к нулю.

4. Переводят ручку чувствительности блока АК в положение 2 и посредством декадного переключателя И₂ компенсируют измеряемую ЭДС. (подобно п.3).

5. Переводят ручку чувствительности в положение 3 и посредством декадного переключателя И₃ компенсируют измеряемую ЭДС.

6. Последовательно увеличивая чувствительность переключением до положения 5 и, компенсируя декадными переключателями И₄ – И₅, заканчивают измерение ЭДС гальванического элемента.

7. По окончании измерения производят отсчет (записывают показания с декадных переключателей) измеряемой ЭДС.

8. Возвращают переключатель “чувствительность” блока АК в положение 1.

9. Ставят декадные переключатели И₁ – И₅ в положение 0. После выполненных операций 8 и 9 можно производить отключение источника измеряемой ЭДС и другие работы по подготовке к следующим замерам.

10. Для определения потенциалов отдельных электродов, подключают к потенциометру на клеммы X₁ контакты от исследуемого и вспомогательного электродов и проводят измерение подобно п.1–9.

 

Порядок выполнения работы

 

1. В соответствии полученным заданием готовят исходные растворы электролитов для полуэлементов гальванической ячейки. На аналитических весах взвешивают заданное количество соли, помещают ее в колбу или стакан и заливают рассчитанным и отмеренным мерным цилиндром количеством дистиллированной воды. Перемешивая стеклянной палочкой, растворяют соль и получают раствор.

2. Берут электроды и зачищают их наждачной бумагой. Промывают водой.

3. Взяв ячейку полуэлемента в левую руку таким образом, чтобы сильфон ячейки был сверху, а сосуд наклонен отверстием ячейки вправо, заливают раствор электролита на ¾ объема ячейки. Не изменяя положение ячейки, вставляют электрод в ячейку и небольшим усилием, покручивая под углом, вводят пробку в ячейку. Чтобы убедиться что пробка хорошо закрывает ячейку, наклоняют ее и, смотрят, весь ли периметр пробки смочен раствором. После этого полуэлемент ставят вертикально и подносят носик сильфона к цилиндру.

4. Если сильфон полуэлемента не заполнен электролитом, посредством зажима необходимо разгерметизировать ячейку и ввести небольшое количество воздуха. Разряжение в сосуде уменьшится, и сильфон будет наполнен раствором. Полуэлемент устанавливают в подставку таким образом, чтобы сильфон был погружен в стакан с хлористым калием, и носик его находился в растворе хлористого калия. Таким же образом готовят второй полуэлемент.

5. Присоединяют клеммы проводников от электродов к потенциометру, пользуясь руководством для работы с потенциометром.

6. При определении потенциалов отдельных электродов составляют гальванический элемент полуэлемента исследуемого и вспомогательного электродов. Вспомогательный электрод помещают в стакан с хлористым калием.

7. Подсоединяют проводники измеряемого и вспомогательного электродов к клеммам X_1, (убрав один из электродов от клеммы) и проводят измерение ЭДС вновь собранного гальванического элемента (измеряемый электрод – вспомогательный электрод).

8. Закончив все измерения с данной концентрацией электролита в полуэлементах, отсоединяют от клеммы X₁ тот полуэлемент, в котором необходимо сменить электролит.

9. Промывают электрод водой, зачищают снова наждачной бумагой и еще раз промывают.

10. Готовят новый раствор электролита путем разбавления исходного и, аналогично п.3, готовят полуэлемент с другой концентрацией электролита.

11. Собирают из полуэлементов гальваническую ячейку и измеряют ЭДС этого гальванического элемента.

12. Полученные при измерении потенциалы отдельных электродов относительно хлоридсеребряного электрода (ХСЭ) пересчитывают относительно водородного электрода. Если исследуемый электрод подсоединен к клемме “+”, а хлоридсеребряный к “–“, то выполняется уравнение

,

где  – потенциал электрода относительно стандартного водородного электрода; – потенциал хлоридсеребряного электрода относительно стандартного водородного электрода.  Потенциал ХСЭ электрода   принимают равным 197мВ.                                      

Если исследуемый электрод присоединен к клемме “–“, а ХСЭ электрод к клемме “+ ‘’, то выполняется уравнение

.

13. По уравнению Нернста рассчитывают потенциалы отдельных электродов для различных концентраций с учетом активностей ионов в растворе.

14. Зная рассчитанные значения потенциалов отдельных электродов, рассчитывают ЭДС гальванического элемента для различных концентраций

E _расч. = E _катода – E _анода.

15. Данные заносят в таблицу.

 

 

Рекомендуемый вид таблицы

 

Опыт	Электрод	С, моль/кг	Потенциал Еэлектрода, мВ		D Еэлектрода		ЭДС элемента Е, мВ		D Е
			расч.	изм.	мВ	%	расч.	изм.	мВ	%
1
2

 

 

Рис. Схема потенциометра:1–переключатель чувствительности; 2 – выходной прибор; 3 – переключатель рода

работы; 4 – декадные переключатели; 5 – клеммы.

Приложения