Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.
ХИМИЯ
Электрохимия
Методические указания
К лабораторным работам
Набережные Челны
2016
УДК 541.18(075.8)
ББК 24.6
Химия. Электрохимия. Методические указания к лабораторным работам/ Составители: И.Я. Сиппель, Г.В. Маврин, Т.Р. Денисова, Е.А. Харитонова - Набережные Челны: Издательско-полиграфический центр НЧИ К(П)ФУ, 2016, 35 с.
Методические указания предназначены для студентов дневного и заочного отделений НЧИ К(П)ФУ. Содержат теоретические основы и порядок выполнения трёх лабораторных работ по важнейшим разделам электрохимии: гальванические элементы, коррозия металлов, электролиз и гальванические покрытия металлов.
Рецензент: проректор по учебной работе НГТТИ,
кандидат химических наук, доцент И.Г. Газизов
Набережночелнинский институт (филиал) ФГАОУ ВО "Казанский (Приволжский) федеральный университет" .
Лабораторная работа № 1
Гальванические элементы и ряд напряжений
Металлов
Цель работы: ознакомиться с устройством и работой гальванических элементов, определить ЭДС нескольких гальванических элементов.
Программа коллоквиума:
Электродные потенциалы. Возникновение потенциала на границе металл - раствор. Водородный электрод. Стандартные электродные потенциалы. Электрохимический ряд напряжений металлов. Уравнение Нернста, расчет электродных потенциалов. Типы гальванических элементов: гальванические элементы Вольта, Якоби-Даниэля, концентрационный гальванический элемент. Расчет ЭДС гальванического элемента.
Теоретическая часть
Гальванический элемент (химический источник тока, химический источник электрической энергии) – это устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в энергию электрического тока. Причиной протекания электрического тока в гальваническом элементе является возникновение разности потенциалов.
Рассмотрим механизм возникновения электродного потенциала при погружении металла в раствор собственных ионов.
При контакте поверхности металла с водным раствором соли определённая часть катионов металла под действием полярных молекул воды в гидратированном виде переходит из металлической фазы в раствор, оставляя в металле электроны, заряд которых не скомпенсирован положительно заряженными ионами в металле. Процесс является обратимым: наряду с переходом ионов металла в раствор протекает обратная реакция – восстановление ионов металла до атомов и осаждение их на пластине.
На границе раздела фаз «металл ─ раствор» устанавливается динамическое равновесие:
Me + mH2O « Men+·mH2O + n
атом металла гидратированный
катион металла
При этом металл заряжается отрицательно, если преобладал процесс перехода ионов металла в раствор, или положительно, если преобладал процесс осаждения этих ионов на поверхности металла. Металлический проводник, погружённый в воду или в раствор электролита, называется электродом. Разность электростатических потенциалов, которая возникает на границе между металлом и водным раствором, называется электродным потенциалом j.
Рис. 1 – Схема возникновения электродного потенциала
Электродный потенциал, соответствующий состоянию равновесия, при котором скорость перехода ионов в раствор равняется скорости обратного их осаждения, называется равновесным потенциалом. Это равновесие у различных металлов отвечает разной концентрации ионов в растворе и, соответственно, различной разности потенциалов. Процессы растворения и осаждения определяются отношением энтальпии отрыва иона от кристаллической решетки металла (ΔHреш) и энтальпии сольватации этого иона (ΔHsolv). Цинк, например, обладает большей способностью посылать ионы в раствор, чем медь, поэтому он приобретает более высокий отрицательный заряд.
Абсолютные значения электродных потенциалов измерить невозможно. Обычно определяют относительные потенциалы металлов, принимая условно за нуль значение потенциала водородного электрода.
Устройство стандартного водородного электрода представлено на рис. 2. Платиновый электрод, покрытый мелкодисперсной платиной (платиновой чернью), погружен в раствор серной кислоты с активностью ионов водорода 1 моль/л. Через раствор пропускается газообразный водород под давлением 1 атм. при T = 298 K. Платиновую пластинку, поверхность которой насыщена атомарным водородом, можно рассматривать как водородный электрод (1 объем платины поглощает 600-700 объемов водорода). На границе платины и раствора устанавливается равновесие:
, jо = 0 В = 0 В
Водородный электрод обозначается: H2 | 2H+
Потенциал водородного электрода воспроизводится с очень высокой точностью.
Рис. 2 – Схема стандартного (нормального) водородного электрода
Для нахождения стандартного электродного потенциала металла собирают гальванический элемент, который состоит из двух полуэлементов: стандартного водородного электрода и исследуемого металла, погруженного в раствор своей соли с концентрацией ионов металла [Men+] = 1 моль/л. Электродвижущая сила элемента определяется компенсационным методом.
Разность потенциалов между металлом, погружённым в раствор своей соли с концентрацией ионов металла 1 моль/л, и стандартным водородным электродом называется стандартным (или нормальным) электродным потенциалом металла (jо). Для активных металлов jоMe имеет отрицательное значение, а для неактивных – положительное.
Если расположить металлы в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, то получим ряд напряжений металлов. Положение металла в ряду напряжений характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях.
Из ряда напряжений металлов вытекают следствия:
1. Каждый предыдущий металл в ряду напряжений вытесняет расположенные за ним металлы из растворов их солей.
CuSO4 + Zn =ZnSO4 + Cu
2. Только металлы с отрицательными значениями потенциалов способны вытеснять водород из его соединений.
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
Cu + 2HCl – реакция не идет.
3. Металлы, стоящие в ряду напряжений металлов до Mg, вытесняют водород из воды, Mg только из горячей воды:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
4. Чем левее (раньше) в ряду напряжений находится металл, тем легче он отдаёт электроны (электрохимически активнее) и тем труднее восстанавливаются его ионы до атомов.
Величина электродного потенциала зависит от природы металла, температуры и концентрации раствора электролита.
Эта зависимость выражается уравнением Нернста:
j - электродный потенциал металла, В;
jо - стандартный электродный потенциал металла, В;
R - универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/(моль·К);
Т - температура в градусах абсолютной шкалы;
n - валентность иона металла;
F - постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/моль;
С - концентрация ионов металла в растворе, моль/л (моль/л≡M).
При подстановке в формулу Нернста всех констант и стандартной температуры (298 К) она приобретает вид:
При С = 1 моль/л равновесный потенциал становится равным стандартному: j = jо. Формулу Нернста можно применять только к металлам, погружённым в растворы своих солей.
Гальванический элемент представляет собой систему из двух электродов, растворы электролитов которых сообщаются. На границах металлов и растворов устанавливаются разные электродные потенциалы. При замыкании цепи электроны перемещаются по внешнему её участку от электрода с меньшим потенциалом к электроду с большим потенциалом.
Тот электрод, который в процессе работы гальванического элемента окисляется и посылает электроны во внешнюю цепь, называется анодом. Электрод, на котором протекает процесс восстановления, называется катодом. Анод в гальванических элементах имеет знак минус, а катод - плюс.
В гальваническом элементе анодом является металл, который имеет меньшее значение стандартного электродного потенциала j0Ме.
Типы гальванических элементов
Гальванический элемент Вольта состоит из двух различных металлических пластин, погруженных в раствор электролита, пример – цинковая и медная пластины в растворе серной кислоты.Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, восстановление на другом.
Рис. 3 – Схема гальванического элемента Вольта
Значения стандартных электродных потенциалов меди и цинка:
jоСu = + 0,34 B, jоZn = - 0,76 B.
Следовательно, цинковый электрод в данном гальваническом элементе является анодом, а медный – катодом. Цинк отдаёт электроны, то есть окисляется, и его ионы переходят в раствор, на медном катоде происходит восстановление ионов водорода.
Уравнения электродных процессов:
А: Znо - 2 = Zn2+
K (Cu): 2H+ + 2 = H2
Суммарное уравнение реакции, лежащей в основе работы данного гальванического элемента:
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
Гальванический элемент Якоби-Даниэля состоит из двух различных металлических пластин, каждая из которых погружена в раствор своей соли. Пример – цинковая и медная пластины, погруженные в растворы сульфатов цинка и меди соответственно.
Рис. 4 – Схема гальванического элемента Якоби-Даниэля
Цинковый анод окисляется, и катионы цинка переходят в раствор. На медном катоде происходит восстановление ионов меди.
Уравнения электродных процессов:
А: Znо - 2 = Zn2+
K: Cu2+ + 2 = Cu
Суммарное уравнение реакции,которая служит источником электрической энергии в медно-цинковом гальваническом элементе Якоби-Даниэля, имеет вид:
Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu
Для условного изображения гальванических элементов принята специальная форма записи, при которой все составляющие их вещества записываются подряд в одну строку. При этом отрицательный электрод записывается слева, а положительный - справа. Одна вертикальная линия на схеме означает границу между металлом и раствором, а две линии - границу между растворами(пористую перегородку или соединительную трубку, заполненную раствором электролита, которую называют солевым мостиком). Например, рассмотренный медно-цинковый гальванический элемент Якоби-Даниэля изображается так:
‾ Zn | Zn SO4 || Cu SO4 | Cu +
Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.
Для расчета ЭДС гальванического элемента необходимо из потенциала катода вычесть потенциал анода:
Например, ЭДС гальванического элемента, образованного цинковой и медной пластинами, погруженными в растворы своих солей с концентрациями 1 моль/л, рассчитывается: