Опыт №2. Влияние концентрации растворов электролитов на ЭДС гальванического элемента.

Соберите медно – цинковый элемент (элемент Даниэля – Якоби) по методике, описанной в опыте №1. Залейте в стаканы растворы CuSO₄ и ZnSO₄ заданной концентрации. Рассчитайте равновесные потенциалы электродов и ЭДС элемента. Активности ионов меди и цинка примите равными их концентрациям. Определите ЭДС элемента по методике, описанной в опыте №1. Опыт проведите три раза, меняя концентрацию одного из растворов.

Результаты расчета и измерений запишите в таблицу:

Таблица 2. Зависимость потенциала электрода и ЭДС элемента от концентрации электролита.

Концентрация растворов, моль/л	Равновесные потенциалы электродов, В	ЭДС элемента, В
CuSO4	ZnSO4			измеренное	расчетное

По полученным данным постройте графики зависимости ЭДС и напряжения от концентрации (активности) ионов. Составьте схему элемента, уравнения электродных и токообразующей реакций.

Объясните влияние концентрации ионов на ЭДС.

Контрольные вопросы и задачи.

1. Как устроен гальванический элемент?

2. Какое уравнение выражает связь между термодинамическими функциями реакции и ЭДС гальванических элементов?

3. Как устроен стандартный водородный электрод?

4. Какие факторы влияют на потенциал металлического электрода?

5. Какие факторы влияют на потенциал газовых электродов?

6. Как измерить ЭДС гальванического элемента?

7. От каких факторов зависит напряжение гальванического элемента?

8. Рассчитайте стандартную ЭДС гальванического элемента Pb | Pb²⁺ || Zn²⁺ | Zn по известным значениям стандартных потенциалов электродов.

С учетом полученного значения стандартной ЭДС элемента определите стандартное значение энергии Гиббса, протекающей в элементе реакции. Определите энергию Гиббса из термодинамических данных и сравните обе величины.

9. Рассчитайте равновесный потенциал медного и серебряного электродов при и ЭДС элемента, составленного из этих электродов:

Ag | Ag⁺ || Cu ²⁺ | Cu

Ответ: 0,28; 0,68; 0,4 В.

10. Рассчитайте равновесные потенциалы двух медных электродов, у которых активности ионов меди Сu²⁺ соответственно равны 1,0 и 10^-3 моль/л. Определите ЭДС следующих элементов:

Cu| Cu ²⁺ || Cu ²⁺| Cu

Cu| Cu ⁺ || Cu ⁺| Cu

Ответ: 0,34; 0,26; 0,09; 0,16 В.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Цель работы: ознакомление с процессами, протекающими на электродах при электролизе водных растворов электролитов.

Электролизом называют процессы, происходящие на электродах под воздействием электрического тока, подаваемого от внешнего источника. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую. Электролиз проводится в электролизерах, основными составными частями которых являются два электрода и ионный проводник (электролит) между ними. На отрицательном электроде электролизера (катоде) происходит процесс восстановления, на положительном электроде (аноде) окисление. На катоде в первую очередь идут процессы, характеризуемые наиболее положительным потенциалом, т.е. в первую очередь реагируют сильные окислители. На аноде в первую очередь идут процессы, характеризуемые наиболее отрицательным потенциалом, т.е. в первую очередь реагируют сильные восстановители. Некоторые аноды при электролизе не растворяются из-за положительного значения их равновесного потенциала или образования на поверхности защитных ленок. Примерами таких анодов могут быть платиновые металлы, графит, титан, тантал. В этом случае происходит электролиз с нерастворимым анодом.

Если потенциалы двух или нескольких электродных реакций равны, то эти реакции протекают на электроде одновременно. При этом прошедшее через электрод электричество расходуется на все эти реакции. Доля количества электричества, расходуемая на превращение одного из веществ (В_j), называется выходом по току этого вещества:

В_j=Q_j100/Q,

где: Q_j – количество электрическтва, израсходованное на превращение вещества; Q – общее количество электричества, прошедшего через раствор.

Теоретическое соотношение между количеством прошедшего электричества и количеством вещества, окисленного или восстановленного на электроде, определяется законом Фарадея, согласно которому при прохождении через электрод одного Фарадея электричества (F = 96500 Кл = 26,8 А´ч) на нем окисляется и восстанавливается 1 моль эквивалентов вещества. Например, если через электрод проходит 26,8 А´ ч электричества, то теоретически на электроде должен выделится 2 моль эквивалентов меди (63,54/2 = 31,77 г) по реакции:

Cu²⁺ + 2e Þ Cu⁰

или 1 моль эквивалентов кислорода (32/4 = 8 г)или ¼ моль т.е. 5,6 л. кислорода по реакции:

4OH^- - 4e Þ O₂ + 2H₂O

Напряжение электролизера слагается из разности равновесных потенциалов электродов (ЭДС), поляризация катода и анода DE и омического падения в проводниках первого и второго рода I ´ (r₁ + r₂)

U = E_Э + DE + I ´ (r₁ + r₂)

Электролиз с нерастворимым анодом.

Электролиз с нерастворимым анодом проводится в приборе, состоящем и U - образной трубки и двух угольных электродов. Электроды закрепляются при помощи пробок. Источником тока служит выпрямитель (требуемое напряжение 12 В).

Опыт 1. Электролиз раствора сульфата меди (CuSO₄).

Налейте в U - образную трубку 5% раствор сульфата меди (II). Вставьте в оба колена трубки угольные электроды. Присоедините электроды к источнику постоянного тока и пропускайте ток в течение 5-10 мин. затем выключите ток. Рассмотрите катод и убедитесь, что на нем выделилась медь. Составьте схему электролиза и уравнения реакции, протекающие на электродах.

Опыт 2. Электролиз раствора сульфата натрия(Na₂SO₄).

В U - образную трубку налейте 5% раствора сульфата натрия, к которому прибавлено несколько капель метилоранжа. Погрузите в трубку электроды. Включите ток и пропускайте его в течение 5-10 мин. наблюдайте выделение пузырьков газа на электродах и изменение окраски раствора. Составьте схему электролиза и уравнения реакции, протекающие на электродах.

Опыт 3. Электролиз раствора иодида калия (KI).

Налейте в U - образную трубку 5% раствор иодида калия, к которому прибавлено 3-4 капли раствора фенолфталеина. Вставьте в оба колена трубки угольные электроды. Включите ток и пропускайте его в течение 5-10 мин. наблюдайте выделение пузырьков газа и окрашивание раствора у катода.

Из анодного пространства возьмите пипеткой 2-3 капли раствора, перенесите их в пробирку и разбавьте дистиллированной водой до слабо желтой окраски. В пробирку добавьте 2-3 капли раствора крахмала. Что наблюдается?

Составьте схему электролиза и уравнения реакции, протекающих на электродах.

Контрольные вопросы и задачи.

1.Что называется электролизом?

2.Какие факторы влияют на напряжение электролизера?

3.Какова последовательность электродных процессов катоде электролизера?

4.Какова последовательность электродных процессов аноде электролизера?

5.В воде растворены соли алюминия, цинка и меди с активностью катионов 1 моль/л, рН раствора 3. Укажите последовательность реакций на катоде.

6.Что такое выход по току и от каких факторов он зависит?

7.Рассмотрите электродные процессы на примерах электролиза водных растворов нитрата натрия и, хлорида калия с нерастворимыми анодами.

8.Рассмотрите электродные процессы на примерах электролиза водного раствора сульфата меди с медным анодом и электролиза водного раствора сульфата цинка: а) с цинковым анодом; б) с нерастворимым анодом.

9.Рассчитайте ток в цепи и массу вещества, которое подвергалось разложению при электролизе водного раствора сульфата калия с нерастворимым анодом, если на катоде выделилось 0,224 л водорода, измеренного при нормальных условиях. Время электролиза 1 час. Ответ: 0,536 А; 0,18г.

10.Рассчитайте ток в цепи и массу вещества, которое подвергалось разложению при электролизе водного раствора сульфата калия с никелевым анодом, а также выход кислорода по току, если на катоде выделилось 0,448 л водорода, а на аноде 0,14 л кислорода, измеренных при нормальных условиях. Время электролиза 1 час. Ответ: 1,072 А; 0,36г; 63 %.

11.При электролизе водного раствора сульфата цинка с нерастворимым анодом на катоде выделилось 0,56 л водорода, измеренного при нормальных условиях. Время электролиза 1 час, ток 2,68 А. Определите выход по току водорода и цинка. Ответ: 50 %

12.При электролизе водного раствора сульфата цинка с нерастворимыми электродами на катоде в течение 2 часов выделилось 0,235 г цинка. Ток в цепи 1,34 А. Рассчитайте выход цинка по току. Ответ: 50 %