How do you construct a lead-copper galvanic cell in the lab?

Prepare 0.05 M copper sulfate and 0.05 M lead nitrate solutions using volumetric flasks and deionized water. Polish copper and lead strips with emery paper, then place them in their respective solutions in a 6-well plate. Connect the electrodes to a multimeter using alligator clips, and use a potassium nitrate-soaked string as a salt bridge between the wells to complete the circuit and measure voltage.

What role does the salt bridge play in a galvanic cell?

The salt bridge, made from a potassium nitrate-soaked string or filter paper, connects the two half-cells and allows ions to flow between them, maintaining electrical neutrality. It prevents direct contact between electrodes while enabling ion migration, which is essential for the galvanic cell to generate and sustain a measurable voltage difference between the anode and cathode.

How do you identify which electrode is the anode and which is the cathode?

Determine the half-reactions by comparing reduction potentials; the reaction with the higher reduction potential undergoes reduction at the cathode, while the lower potential reaction undergoes oxidation at the anode. In a lead-copper cell, copper has the higher reduction potential, making the copper electrode the cathode and the lead electrode the anode where oxidation occurs.

What is a concentration cell and how does it differ from a standard galvanic cell?

A concentration cell uses identical electrodes but different solution concentrations in each half-cell. As oxidation occurs in the dilute cell, ions enter the solution, increasing concentration. Simultaneously, reduction in the concentrated cell deposits metal onto the electrode, decreasing concentration. This concentration difference drives a voltage until equilibrium is reached, unlike standard galvanic cells that use different electrode materials.

How can you use the Nernst equation to determine unknown electrode composition?

Measure the voltage difference between a known electrode (copper) and an unknown electrode using a multimeter. Apply the Nernst equation, which relates measured voltage to standard reduction potentials, to calculate the unknown electrode's reduction potential. Compare this calculated value to known reduction potentials to identify the unknown metal, such as zinc or other common electrode materials.

Why must electrodes be polished with emery paper before use?

Polishing with emery paper removes surface oxidation, corrosion, and contaminants that can interfere with electron transfer and reduce the accuracy of voltage measurements. Clean electrode surfaces ensure consistent contact with solutions and reliable redox reactions, allowing the multimeter to accurately measure the true voltage generated by the galvanic cell.

How do you calculate the concentration of copper ions in a dilute solution using galvanic cell data?

Construct a concentration cell with dilute and concentrated copper solutions, measure the voltage, and apply the Nernst equation with known values including temperature, Faraday's constant, and the concentrated solution's copper concentration. Since standard electrode potential is zero for identical electrodes, the measured voltage directly reflects the concentration difference, allowing you to solve for the unknown copper ion concentration.

الخلايا الجلفانية

المفاهيم تحضير المدرّس بروتوكول الطالب

0 مشاهدة03:31 دقيقة

التفاعل الكهروكيميائي هو عملية يتم فيها نقل الإلكترونات بين مادتين ، حيث تفقد إحداهما الإلكترونات والأخرى تكتسبها. عندما تفقد مادة الإلكترونات ، نقول إنها خضعت للأكسدة أو أنها تأكسدت. عندما يكتسب الإلكترونات ، نقول إنه خضع للتخفيض أو تم تقليله. لمساعدتك على التمييز بين الاثنين ، تذكر عبارة "منصة النفط" ، التي تعني الأكسدة تفقد ، والتخفيض يكتسب. تحدث بعض التفاعلات الكهروكيميائية تلقائيا ، والتي يمكننا دراستها في خلية كلفانية.

تتكون الخلية الجلفانية من أربعة أجزاء رئيسية. أولا ، هناك قطبان معدنيان ، كل منهما مغمور في محلول إلكتروليت مختلف. تتكون المحاليل من الأيونات اللازمة لنصف التفاعلات ، إما تفاعل الأكسدة أو الاختتزال ، التي تحدث في كل قطب. يتم توصيل المحاليل بواسطة جسر ملحي ، مما يتيح تدفق الأيونات ويحافظ على حيادية شحنة المحاليل. يتم توصيل الأقطاب الكهربائية بواسطة دائرة خارجية ، والتي تنتقل الإلكترونات من خلالها أثناء التفاعل.

الأنود هو القطب الذي يتخلى عن الإلكترونات في التفاعل أو يتأكسد. الكاثود هو القطب الذي يكتسب الإلكترونات ويتم تقليله. لمساعدتك على التمييز بين هاتين التسميين ، تذكر عبارة "قطة حمراء" ، حيث يحدث التخفيض عند الكاثود.

إذن كيف نعرف أي معدن يعمل كقطب وأيها يعمل ككاثود؟ يمكننا استخدام جهد القطب القياسي للمعدن ، وهو مقياس لميل المعدن إلى فقدان الإلكترونات. يعني جهد القطب الكهربائي الأكثر سالبة أن المعدن لديه ميل أكبر لفقدان الإلكترونات. تتدفق الإلكترونات دائما من المعدن ذو الإمكانات القياسية المنخفضة إلى المعدن ذو الإمكانات القياسية الأكبر.

في الخلية الجلفانية ، تتدفق الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود ، وبالتالي فإن الأنود هو المعدن ذو الإمكانات القياسية المنخفضة ، والكاثود هو المعدن ذو الإمكانات القياسية الأعلى. عندما تنتقل الإلكترونات بين القطبين ، يتم قياس الجهد الكهربائي. حجم الجهد الناتج يساوي الجهد القياسي للكاثود مطروحا منه الجهد القياسي للأنود.

لذلك ، إذا تم استخدام معدنين لهما إمكانات قطب كهربائي قياسية متشابهة في الخلية الجلفانية ، مثل الرصاص والقصدير ، على سبيل المثال ، فسيكون حجم الجهد الناتج منخفضا. إذا كانت المعادن لها إمكانات قياسية مختلفة ، مثل الفضة والمغنيسيوم ، فسيكون الجهد الناتج مرتفعا.

في هذا المختبر ، ستقوم ببناء خلية كلفانية باستخدام قطبين معدنيين وقياس الإمكانات الناتجة عند حدوث تفاعلات الأكسدة والاختزال. ستحدد بعد ذلك أقطاب معدنية غير معروفة باستخدام إمكانات قياسية معروفة وتحدد حجم الجهد الناتج.

Print Procedure Steps

المصدر: سماء قريم من جامعة جونز هوبكنز ، دكتوراه في الطب ، الولايات المتحدة الأمريكية

بناء خلية جلفانية من الرصاص والنحاس
في هذه التجربة ، ستقوم ببناء خلية جلفانية من الرصاص والنحاس ثم قياس الجهد المتولد أثناء تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث في الأنود والكاثود.
- للبدء ، ارتد معدات الحماية الشخصية اللازمة ، بما في ذلك معطف المختبر والقفازات ونظارات الرذاذ الكيميائية.
- تحضير 100 مل من محلول كبريتات النحاس 0.05 متر. أولا ، احسب كمية كبريتات النحاس التي ستحتاج إلى وزنها باستخدام الكتلة المولية لخماسي هيدرات كبريتات النحاس.
- قم بقياس الكمية التي حسبتها وقم بتحويلها إلى قارورة حجمية سعة 100 مل.
- قم بقياس 50 مل من الماء منزوع الأيونات ، واسكب الماء في القارورة ، وأغلق القارورة بغشاء البارافين. قم بتدوير القارورة عدة مرات حسب الحاجة حتى تذوب كبريتات النحاس.
- قم بقياس 50 مل أخرى من الماء منزوع الأيونات واملأ القارورة حتى يصل الماء إلى خط القياس 100 مل. قم بتغطية القارورة بغشاء البارافين وقلب القارورة ولفها حتى يبدو المحلول متجانسا. قم بتسمية القارورة بالتركيز الدقيق لكبريتات النحاس التي تم إنشاؤها.
- قم بإعداد محلول 20 مل من نترات الرصاص 0.05 م. احسب كمية نترات الرصاص التي تحتاجها ، ثم قم بوزنها وأضفها إلى قارورة حجمية سعة 20 مل.
- قم بقياس 10 مل من الماء منزوع الأيونات وأضفه إلى نترات الرصاص. أغلق القارورة واخلط المحلول حتى تذوب نترات الرصاص تماما.
- قم بقياس 10 مل أخرى من الماء وانقله إلى القارورة حتى يصل مستوى المحلول إلى خط التعبئة. أغلق القارورة واخلط المحلول جيدا. قم بتسمية المحلول بالتركيز الدقيق المحضر.
- الآن ، قم بإعداد الخلية الجلفانية. أولا ، استرجع قطعتين من الصفائح النحاسية وشريط الرصاص وقطعة من ورق الصنفرة.
- خذ لوح التفاعل المكون من 6 آبار واسكب بعضا من محلول كبريتات النحاس في بئر واحد ، واملأه 3/4 ممتلئا. املأ بئرا مجاورة بمحلول نترات الرصاص. تأكد من تسمية البئرين.
- قم بتسمية دورق 600 مل على أنه "نفايات".
- استخدم ورق الصنفرة لتلميع شرائط النحاس والرصاص. اشطف كل شريط بالماء منزوع الأيونات بعد التلميع.
- خذ جهاز القياس المتعدد الخاص بك وقم بتوصيل الخيوط الحمراء والسوداء بتوصيلات الزائد والناقص المناسبة. استخدم مشابك التمساح لتوصيل الشريط النحاسي بسلك واحد وشريط الرصاص (Pb) بالرصاص الآخر.
- ضع الشريط النحاسي داخل محلول كبريتات النحاس وضع شريط الرصاص (Pb) داخل محلول نترات الرصاص. اضبط كلا القطبين بحيث يكون نصف القطب في المحلول ، وثنيهما إذا لزم الأمر لإبقائهما في مكانهما.
- احصل على خيط تم نقعه في محلول نترات البوتاسيوم.
- استخدم الملقط لوضع أحد طرفي الخيط في كبريتات النحاس والطرف الآخر في نترات الرصاص ، مع التأكد من عدم ملامسته لأي من القطبين. سيكون هذا بمثابة جسر الملح.
- قم بتشغيل جهاز القياس المتعدد الخاص بك إلى إعداد الجهد ، وتحقق من القراءة. إذا كانت سلبية ، فأنت بحاجة إلى عكس الخيوط المتصلة بالأقطاب الكهربائية. سجل قراءة الجهد في دفتر المختبر الخاص بك.
  الجدول 1: الخلية الجلفانية الرصاصية النحاسية
  
  ΔE مقاس (فولت)
  الأنود
  الكاثود
  انقر هنا لتنزيل الجدول 1
- استخدم مقياس حرارة زجاجي لقياس درجة حرارة أحد الآبار وتسجيلها في دفتر المختبر الخاص بك.
- عند الانتهاء ، قم بإزالة الأقطاب الكهربائية من الآبار ، واسكب المحاليل في دورق النفايات ، ورمي جسر الملح في سلة المهملات. اشطف شرائح النحاس والرصاص بالماء منزوع الأيونات وجففها بمنشفة ورقية.

خلية جلفانية بأقطاب كهربائية غير معروفة

في هذا الجزء من التجربة ، ستقوم ببناء خلية كلفانية بقطب كهربائي غير معروف والمحلول المقابل له. ستستخدم بعد ذلك إمكانات الاختزال لتحديد مادة القطب. سيقوم مدرسك بتعيين المجهول الذي ستختبره.

حدد القطب الكهربائي غير المعروف المقابل واستخدم الأسطوانة المتدرجة سعة 10 مل لاسترداد 8 مل من المحلول غير المعروف.
صب المحلول المجهول في أحد الآبار غير المستخدمة. قم بتسمية البئر الذي يحتوي على محلول غير معروف واسكب محلول كبريتات النحاس في البئر المجاور.
قم بإزالة شريط الرصاص (Pb) من وصلة المقياس المتعدد، واستبدله بشريط غير معروف.
اترك الشريط النحاسي متصلا. ضع الأقطاب الكهربائية في الآبار المقابلة لها ، وثنيها إذا لزم الأمر لإبقائها في مكانها.
استرجع جسر ملح آخر وضع أحد طرفيه في كل بئر كما كان من قبل ، وتأكد من أنه لا يلمس أيا من القطبين.

قم بتشغيل جهاز القياس المتعدد وسجل قراءة الجهد.

الجدول 2: الخلايا الجلفانية غير المعروفة

معدن 1	الحل 1	معدن 2	الحل 2	ΔE قياسا (فولت)	Eº النحاس (فولت)	Eº غير معروف (فولت)	ΔEº الشروط القياسية (فولت)	درجة الحرارة (ك)	n	[أحمر] (م)	[ثور] (م)
Cu	النحاس كبريتات	غير معروف # 1	غير معروف # 1
Cu	النحاس كبريتات	غير معروف # 2	غير معروف # 2

انقر هنا لتنزيل الجدول 2

قم بقياس درجة حرارة البئر المجهول باستخدام مقياس الحرارة الزجاجي وسجل القيمة.
عند الانتهاء ، قم بإزالة الأقطاب الكهربائية من الآبار واشطفها بالماء. جففها بمنشفة ورقية واتركها جانبا.
صب المحاليل في حاوية النفايات. إذا قام المدرس بتعيين مجهول ثان لك، فقم بإجراء التجربة مرة أخرى بنفس الطريقة تماما.

إنشاء خلية تركيز
في التجربة التالية ، ستقوم ببناء خلية تركيز النحاس. خلية التركيز هي خلية كلفانية حيث يكون القطبان من نفس المادة. تحتوي نصف الخلية على محلول مركز ، بينما تحتوي الأخرى على محلول مخفف. عندما تحدث الأكسدة في الخلية المخففة ، تدخل أيونات القطب إلى المحلول مما يجعله أكثر تركيزا.

يحدث التخفيض في الخلية المركزة حيث يتم تقليل أيونات المعادن وطلاءها على القطب ، وبالتالي تقليل تركيز المحلول. يؤدي التفاعلان النصفيان إلى فرق الجهد بين القطبين حتى يتم الوصول إلى التوازن.

ستقوم ببناء خلية تركيز باستخدام أقطاب نحاسية وكبريتات النحاس المركزة وأكسالات النحاس المخففة. ستقيس فرق الجهد بين الخليتين بسبب الاختلاف في تركيز النحاس. نظرا لأن أكسالات النحاس قابلة للذوبان قليلا فقط ، فستستخدم بعد ذلك قياس الجهد لتحديد التركيز الحقيقي للنحاس في محلول أكسالات النحاس.
- للبدء ، اصنع أكسالات النحاس. احصل على 0.1 M من حمض الأكساليك من مدربك ، ثم قم بتسمية دورق سعة 100 مل بالصيغة الكيميائية لأكسالات النحاس.
- قم بقياس 50 مل من حمض الأكساليك واسكبه في الدورق استخدم الماصة الحجمية لقياس 2 مل من محلول كبريتات النحاس 0.05 M وتوزيعها في حمض الأكساليك.
- استخدم قضيب تقليب زجاجي لتقليب المحلول لمدة 5 دقائق. هذا يعطي التفاعل وقتا كافيا للوصول إلى التوازن.
- الآن ، قم بتسمية دورق نظيف سعة 100 مل على أنه "كبريتات النحاس" واسكب محلول 0.05 متر فيه. ضع دورق كبريتات النحاس ودورق أكسالات النحاس بالقرب من بعضهما البعض.
- احصل على 0.1 متر من نترات البوتاسيوم في دورق 100 مل ، واغمر قطعة من ورق الترشيح مقطوعة مسبقا فيها ، واتركها تنقع لمدة 20 ثانية. سيعمل ورق الترشيح المنقوع بالملح كجسر ملح.
- اضبط ورق الترشيح عبر الأكواب بحيث يربط بين نصف الخليتين.
- قم بقياس درجة حرارة المحلول في أحد الأكواب وتسجيلها في دفتر ملاحظاتك.
- استخدم ورق الصنفرة لتلميع الشريطين النحاسيين. اشطفهما بالماء بعد التلميع.
- قم بتوصيل الشرائط النحاسية بخيوط المقياس المتعدد وضع قطبا كهربائيا واحدا في كل دورق
- قم بتشغيل جهاز القياس المتعدد وقياس الجهد. سجل هذه القيمة في دفتر ملاحظات المختبر الخاص بك.
  الجدول 3: خلية تركيز النحاس
  
  ΔE مقاس (فولت)
  درجة الحرارة (K)
  [Cu²⁺] (م)
  R (J/mol·K) 8.314
  F (C / mol) 96,485
  انقر هنا لتنزيل الجدول 3
- عند الانتهاء ، قم بإزالة الأقطاب الكهربائية من الدورق وتخلص من ورق الترشيح بعيدا. افصل الأقطاب الكهربائية واشطفها بالماء منزوع الأيونات. ثم جففها بمنشفة ورقية.
- أخيرا ، صب المحاليل في دورق النفايات. قم بتحييد النفايات السائلة بصودا الخبز ، وتحريك المحلول وإضافة المزيد من صودا الخبز حتى يتوقف المحلول عن الغليان. صب السائل المحايد في حاوية النفايات المعدنية الثقيلة التي يوفرها مدربك.
- اشطف جميع الأواني الزجاجية بالماء وأعد جميع المعدات، بما في ذلك الأقطاب الكهربائية، إلى مدربك.
النتائج
- أولا ، حدد أنصاف التفاعلات التي تحدث في كل قطب. نظرا لأن تفاعلات الأكسدة والاختزال في الخلايا الجلفانية تلقائية ، فإن التفاعل ذو أعلى إمكانات الاختزال سيكون تفاعل الاختزال. في حالة خلية الرصاص والنحاس ، فإن نصف تفاعل النحاس لديه إمكانات اختزال أعلى. وبالتالي ، يتم تقليل النحاس في خليتنا الجلفانية.
- في المقابل ، تحدث الأكسدة في قطب الرصاص. وبالتالي ، فإن نصف التفاعل الذي يحدث في قطب الرصاص هو تفاعل أكسدة. تحدث الأكسدة دائما في الأنود. لذلك ، فإن قطب الرصاص هو الأنود. يحدث التخفيض دائما في الكاثود. وبالتالي ، فإن القطب النحاسي هو الكاثود. يجب أن تساوي قراءة جهاز القياس المتعدد فرق الجهد بين نصف التفاعلين ، 0.463 فولت.
- تحديد اتجاه تدفق الإلكترون. نظرا لأن الإلكترونات تتدفق دائما من الأنود إلى الكاثود ، فإن الإلكترونات ستتدفق من القطب الرئيسي إلى القطب النحاسي.
- بعد ذلك ، انظر إلى أول خلية كلفانية غير معروفة. تذكر أن المقياس المتعدد يقيس الفرق في الجهد بين نصف التفاعلين ، والذي يتوافق مع الجهد الذي قمت بقياسه.
- نحن نعلم أن أحد القطب الكهربائي هو النحاس. إذن، إذا كان فرق الجهد 1.057 فولت، فإن جهد الاختزال للتفاعل الآخر يساوي سالب 0.720 فولت. هذا يتوافق مع نصف تفاعل الزنك. لذلك ، فإن القطب المجهول هو الزنك والمحلول المجهول هو كبريتات الزنك. إمكانات الاختزال للنحاس أعلى من تلك الموجودة في الزنك ، لذا فإن الخلية النحاسية هي خلية الاختزال وخلية الزنك هي خلية الأكسدة.
- احسب تركيز محلول كبريتات الزنك باستخدام معادلة نرنست. تربط معادلة Nernst الجهد المقاس ، E ، بجهد الاختزال المتوقع في الظروف القياسية ، E لا شيء. R هو ثابت الغاز العالمي ، T هو درجة الحرارة ، F هو ثابت فاراداي ، n هو عدد الإلكترونات المنقولة في نصف التفاعل ، و Q_h هو حاصل التفاعل.
- حاصل التفاعل يساوي تركيز الأنواع الكيميائية التي تتأكسد مقسوما على تركيز الأنواع التي يتم تقليلها. بالنسبة لخليتنا الجلفانية ، يتم تقليل كبريتات النحاس وتتأكسد كبريتات الزنك. بما أننا نعرف تركيز كبريتات النحاس، 0.05 M، يمكننا حساب تركيز خلية الأكسدة، التي كانت كبريتات الزنك في تجربتنا.
- أخيرا ، انظر إلى خلية تركيز النحاس. هنا أنشأنا خلية كلفانية تحتوي على نصف خلية تحتوي على أكسالات النحاس المخفف والأخرى تحتوي على كبريتات النحاس. نظرا لأن تركيز النحاس في نصف الخلية المخففة يتغير مع استمرار التجربة ، يمكننا حساب تركيز أيونات النحاس الذائبة باستخدام معادلة نرنست.
- القطبان متماثلان في خلية التركيز ، لذا فإن جهد القطب القياسي هو 0. فرق الجهد هو الجهد الذي قمنا بقياسه ، ويرجع ذلك إلى الاختلاف في تركيز النحاس بين الخليتين. بعد توصيل القيم المعروفة، يمكننا بعد ذلك إيجاد تركيز أيون النحاس في الخلية المخففة. هنا ، كان تركيز أيونات النحاس 7.9 × 10 ^-7 M.