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.

תאים גלוונים

מושגים הכנת המדריך נוהל לתלמידים

0 צפיות03:31 דק׳

תגובה אלקטרוכימית היא תהליך שבו אלקטרונים מועברים בין שני חומרים, כאשר אחד מאבד אלקטרונים והשני זוכה בהם. כאשר חומר מאבד אלקטרונים, אנו אומרים שהוא עבר חמצון או שהוא עבר חמצון. כאשר הוא צובר אלקטרונים, אנו אומרים שהוא עבר הפחתה או הצטמצם. כדי לעזור לכם להבחין בין השניים, זכרו את הביטוי 'אסדת נפט', שמשמעותו חמצון הוא הפסד, הפחתה היא רווח. כמה תגובות אלקטרוכימיות מתרחשות באופן ספונטני, אשר אנו יכולים לחקור בתא גלווני.

התא הגלווני מורכב מארבעה חלקים עיקריים. ראשית, ישנן שתי אלקטרודות מתכת, שכל אחת מהן שקועה בתמיסת אלקטרוליטים אחרת. התמיסות מורכבות מהיונים הדרושים לתגובות החצי, תגובת החמצון או ההפחתה, המתרחשות בכל אלקטרודה. התמיסות מחוברות באמצעות גשר מלח, המאפשר זרימת יונים ושומר על ניטרליות המטען של התמיסות. האלקטרודות מחוברות באמצעות מעגל חיצוני, דרכו עוברים האלקטרונים במהלך התגובה.

האנודה היא האלקטרודה שמוותרת על אלקטרונים בתגובה או מחומצנת. הקתודה היא האלקטרודה שצוברת אלקטרונים ומצטמצמת. כדי לעזור לכם להבחין בין שתי התוויות הללו, זכרו את הביטוי 'חתול אדום', מכיוון שהפחתה מתרחשת בקתודה.

אז איך נדע איזו מתכת פועלת כאנודה ואיזו פועלת כקתודה? אנו יכולים להשתמש בפוטנציאל האלקטרודות הסטנדרטי של המתכת, שהוא מדד לנטייתה של המתכת לאבד אלקטרונים. פוטנציאל אלקטרודה שלילי יותר פירושו שלמתכת יש נטייה גבוהה יותר לאבד אלקטרונים. אלקטרונים תמיד זורמים מהמתכת עם הפוטנציאל הסטנדרטי הנמוך יותר למתכת עם הפוטנציאל הסטנדרטי הגדול יותר.

בתא גלווני, אלקטרונים זורמים מהאנודה אל הקתודה, ולכן האנודה היא המתכת בעלת פוטנציאל התקן הנמוך יותר, והקתודה היא המתכת בעלת פוטנציאל התקן הגבוה יותר. כאשר האלקטרונים נעים בין שתי האלקטרודות, נמדד פוטנציאל חשמלי. גודל המתח המופק שווה לפוטנציאל הסטנדרטי של הקתודה פחות הפוטנציאל הסטנדרטי של האנודה.

לכן, אם משתמשים בשתי מתכות בעלות פוטנציאל אלקטרודה סטנדרטי דומה בתא הגלווני, כמו עופרת ובדיל, למשל, גודל המתח שיופק יהיה נמוך. אם למתכות יש פוטנציאלים סטנדרטיים שונים, כמו כסף ומגנזיום, המתח שיופק יהיה גבוה.

במעבדה זו תבנו תא גלווני באמצעות שתי אלקטרודות מתכת ותמדדו את הפוטנציאל המיוצר כאשר מתרחשות תגובות החמצון והחיזור. לאחר מכן תזהה אלקטרודות מתכת לא ידועות באמצעות פוטנציאלים סטנדרטיים ידועים ותקבע את גודל המתח המיוצר.

Print Procedure Steps

מקור: סמאא קורים באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, MD, ארה"ב

בניית תא גלווני עופרת-נחושת<לחצן class="expand">הרחב
בניסוי זה תבנו תא גלווני עופרת-נחושת ולאחר מכן תמדוד את המתח שנוצר במהלך תגובות החיזור המתרחשות באנודה ובקתודה.
- כדי להתחיל, לבשו את ציוד המגן האישי הדרוש, כולל מעיל מעבדה, כפפות ומשקפי התזה כימיים.
- הכן 100 מ"ל של תמיסת נחושת גופרתית 0.05 M. ראשית, לחשב את כמות גופרתית נחושת כי תצטרך לשקול באמצעות המסה המולרית של נחושת גופרתית pentahydrate.
- מדוד את הסכום שחישבת והעבר אותו לצלוחית נפחית של 100 מ"ל.
- למדוד 50 מ"ל של מים deionized, לשפוך את המים לתוך הצלוחית, ולאטום את הבקבוק עם סרט פרפין. מערבלים את הבקבוק כמה פעמים שצריך עד שהנחושת הגופרתית מתמוססת.
- מדדו עוד 50 מ"ל של מים שעברו דה-יוניזציה ומלאו את הבקבוק עד שהמים מגיעים לקו המדידה של 100 מ"ל. מכסים את הבקבוק בסרט פרפין והופכים ומערבלים את הבקבוק עד שהפתרון נראה הומוגני. תייגו את הבקבוק עם הריכוז המדויק של נחושת גופרתית שנוצרה.
- הכינו תמיסה של 20 מ"ל של 0.05 M עופרת חנקתית. חשב את כמות חנקת העופרת שאתה צריך, ולאחר מכן לשקול אותו ולהוסיף אותו בקבוק נפח 20 מ"ל.
- למדוד 10 מ"ל של מים deionized ולהוסיף אותו לחנקת עופרת. אוטמים את הבקבוק ומערבבים את התמיסה עד לחנקת העופרת מומסת לחלוטין.
- מודדים עוד 10 מ"ל מים ומעבירים אותם לבקבוק עד שמפלס התמיסה מגיע לקו המילוי. אוטמים את הבקבוק ומערבבים היטב את התמיסה . תייגו את התמיסה עם הריכוז המדויק שהוכן.
- כעת, הגדר את התא הגלווני. ראשית, שלפו שתי חתיכות של יריעת נחושת, רצועת עופרת ופיסת נייר אמרי.
- קחו את צלחת התגובה בעלת 6 הבארות שלכם ושפכו חלק מתמיסת הנחושת הגופרתית לבאר אחת, מלאו אותה 3/4 מלאה. מלאו באר סמוכה בתמיסת עופרת חנקתית. הקפד לתייג את שתי הבארות.
- תייגו את 600 מ"ל שלכם כ'פסולת'.
- השתמש בנייר אמרי כדי ללטש את רצועות הנחושת והעופרת. יש לשטוף כל רצועה במים נטולי יונים, לאחר הליטוש.
- קח את המולטימטר שלך וחבר את המוליכים האדומים והשחורים לחיבורי הפלוס והמינוס המתאימים. השתמש בתפסי תנין כדי לחבר את פס הנחושת לעופרת אחת ואת רצועת העופרת (Pb) לעופרת השנייה.
- מניחים את רצועת הנחושת בתוך תמיסת נחושת גופרתית ומניחים את רצועת העופרת (Pb) בתוך תמיסת העופרת החנקתית. כוונן את שתי האלקטרודות כך שמחצית מהאלקטרודה תהיה בתמיסה, כופף אותן במידת הצורך כדי לשמור אותן במקומן.
- השג מחרוזת שספגה בתמיסת אשלגן חנקתי.
- השתמש במלקחיים כדי למקם קצה אחד של המיתר בנחושת גופרתית ואת הקצה השני בחנקת העופרת, וודא שהוא לא בא במגע עם אף אחת מהאלקטרודות. זה ישמש כגשר המלח.
- הפעל את המולטימטר להגדרת המתח ובדוק את הקריאה. אם זה שלילי, אתה צריך להפוך את הלידים המחוברים אלקטרודות. הקלט את קריאת המתח במחשב הנייד של המעבדה.
  טבלה 1: תא גלווני עופרת-נחושת
  
  ΔE נמדד (וולט)
  אנודה
  קתודה
  לחץ כאן להורדת טבלה 1
- השתמש במדחום זכוכית כדי למדוד את הטמפרטורה של אחת הבארות ולהקליט אותה במחשב הנייד של המעבדה.
- כשתסיימו, הוציאו את האלקטרודות מהבארות, שפכו את התמיסות לתוך כד האשפה וזרקו את גשר המלח לפח. שוטפים את רצועות הנחושת והעופרת במים נטולי יונים, ומייבשים אותם במגבת נייר.
תא גלווני עם אלקטרודות לא ידועות<לחצן class="expand">הרחב
בחלק זה של הניסוי תבנו תא גלווני עם אלקטרודה לא ידועה והפתרון המתאים לה. לאחר מכן תשתמש בפוטנציאל ההפחתה כדי לזהות את חומר האלקטרודה. המדריך שלך יקצה לך את הלא נודע שתבדוק.
- בחר את האלקטרודה הלא ידועה המתאימה והשתמש בגליל המדורג של 10 מ"ל כדי לאחזר 8 מ"ל של התמיסה הלא ידועה.
- שפכו את הפתרון הלא ידוע לאחת הבארות שאינן בשימוש. תייגו את הבאר המכילה את התמיסה הלא ידועה ושפכו את תמיסת הנחושת הגופרתית שלכם לבאר הסמוכה.
- הסר את רצועת העופרת (Pb) מחיבור המולטימטר והחלף אותה ברצועה לא ידועה.
- השאר את רצועת הנחושת מחוברת. מניחים את האלקטרודות בבארות המתאימות שלהם, לכופף אותם במידת הצורך כדי לשמור אותם במקום.
- שלפו גשר מלח נוסף והניחו קצה אחד בכל באר כמו קודם, וודאו שהוא לא נוגע באף אחת מהאלקטרודות.
- הפעל את המולטימטר והקלט את קריאת המתח.
  טבלה 2: תאים גלוונים לא ידועים
  <טבלה align="center" height="167" style="border-collapse: collapse; font-size: 9px; line-height: 24px;" width="650"> Metal 1 Solution 1 Metal 2 Solution 2 ΔE measured
  (וולט) Eº copper
  (וולט) Eº unknown
  (וולט) ΔEº standard conditions
  (וולט) Temperature
  (יא) n [Red]
  (ז) [Ox]
  (ז) Cu Copper
  סולפט Unknown
  #1 Unknown
  #1 Cu Copper
  סולפט Unknown
  #2 Unknown
  #2 לחץ כאן להורדת טבלה 2
- מדדו את הטמפרטורה של הבאר הלא ידועה באמצעות מדחום הזכוכית ורשמו את הערך.
- בסיום, הוציאו את האלקטרודות מהבארות ושטפו אותן במים. יבשו אותם במגבת נייר והניחו אותם בצד.
- שפכו את הפתרונות למיכל הפסולת. אם המדריך הקצה לך שנייה לא ידועה, בצע את הניסוי שוב בדיוק באותו אופן.
יצירת תא ריכוז<לחצן class="expand">הרחב
בניסוי הבא תבנו תא ריכוז נחושת. תא ריכוז הוא תא גלווני שבו שתי האלקטרודות הן אותו חומר. חצי תא אחד מכיל תמיסה מרוכזת, ואילו השני מכיל תמיסה מדוללת. כאשר מתרחש חמצון בתא המדולל, יונים מהאלקטרודה נכנסים לתמיסה והופכים אותה למרוכזת יותר.

הפחתה מתרחשת בתא המרוכז כאשר יוני מתכת מופחתים ומצופים על האלקטרודה, ובכך מורידים את ריכוז התמיסה. שתי חצאי התגובות יוצרות הפרש מתח בין שתי האלקטרודות עד להשגת שיווי משקל.

תוכלו לבנות תא ריכוז באמצעות אלקטרודות נחושת, נחושת גופרתית מרוכזת, ולדלל נחושת אוקסלט. תוכלו למדוד את הפרש המתח בין שני התאים שנגרם על ידי ההבדל בריכוז הנחושת. מכיוון שנחושת אוקסלט מסיסה רק במקצת, תשתמש במדידת המתח כדי לקבוע את הריכוז האמיתי של נחושת בתמיסת נחושת אוקסלט.
- כדי להתחיל, הכינו נחושת אוקסלט. השג 0.1 M חומצה אוקסלית מהמדריך שלך, ולאחר מכן תייג של 100 מ"ל עם הנוסחה הכימית של נחושת אוקסלט.
- למדוד 50 מ"ל של חומצה אוקסלית ולשפוך אותו לתוך הכד. השתמש פיפטה נפח למדוד 2 מ"ל של תמיסת נחושת סולפט 0.05 M ולהוציא אותו לתוך חומצה אוקסלית.
- השתמש במוט ערבוב זכוכית כדי לערבב את התמיסה במשך כ -5 דקות. זה נותן לתגובה מספיק זמן להגיע לשיווי משקל.
- כעת, תייגו נקייה של 100 מ"ל כ"נחושת גופרתית" ושפכו לתוכו את תמיסת ה-0.05 מ'. הניחו את הנחושת הגופרתית ואת הנחושת אוקסלט קרוב זה לזה.
- השג 0.1 M אשלגן חנקתי במיכל מסומן של 100 מ"ל, וטבול בו פיסת נייר סינון חתוכה מראש, ותן לו להשרות במשך 20 שניות. נייר פילטר ספוג מלח זה ישמש כגשר מלח.
- הגדר את נייר הסינון על פני הכוסות כך שיחבר את שני חצאי התאים.
- מדוד את הטמפרטורה של התמיסה באחד הכוסות ורשום אותה במחשב הנייד שלך.
- השתמש בנייר אמרי כדי ללטש את שתי רצועות הנחושת שלך. שטפו את שניהם במים לאחר הליטוש.
- חבר את רצועות הנחושת למוליכי המולטימטר ומקם אלקטרודה אחת בכל כד.
- הפעל את המולטימטר ומדוד את המתח. רשום ערך זה במחברת המעבדה שלך.
  טבלה 3: תא ריכוז נחושת
  
  ΔE נמדד (וולט)
  טמפרטורה (K)
  [Cu²⁺] (ז)
  R (J/mol·K) 8.314
  F (C/mol) 96,485
  לחץ כאן להורדת טבלה 3
- כשתסיים, הסר את האלקטרודות מהכוס וזרוק את נייר הפילטר. נתקו את האלקטרודות ושטפו אותן במים נטולי יונים. לאחר מכן, יבש אותם עם מגבת נייר.
- לבסוף, שפכו את התמיסות לתוך הפסולת שלכם. נטרלו את הפסולת הנוזלית עם סודה לשתייה, ערבלו את התמיסה והוסיפו עוד סודה לשתייה עד שהתמיסה מפסיקה לבעבע. שפכו את הנוזל המנוטרל למיכל פסולת המתכת הכבדה שסופק על ידי המדריך שלכם.
- שטפו את כל כלי הזכוכית במים והחזירו את כל הציוד, כולל האלקטרודות, למדריך.
Results
- ראשית, קבעו את חצאי התגובות המתרחשות בכל אלקטרודה. מכיוון שתגובות החמצון והחיזור בתאים גלווניים הן ספונטניות, התגובה בעלת פוטנציאל ההפחתה הגבוה ביותר תהיה תגובת החיזור. במקרה של תא עופרת-נחושת, לחצי תגובת הנחושת יש פוטנציאל הפחתה גבוה יותר; לכן, נחושת מופחתת בתא גלווני שלנו.
- בתורו, חמצון מתרחש באלקטרודת העופרת. לפיכך, חצי התגובה המתרחשת באלקטרודת העופרת היא תגובת חמצון. חמצון מתרחש תמיד באנודה; לכן, אלקטרודת העופרת היא האנודה. הפחתה מתרחשת תמיד בקתודה; לפיכך, אלקטרודת הנחושת היא הקתודה. קריאת המולטימטר שלך צריכה להיות שווה להפרש המתח בין שתי חצאי התגובות, 0.463 וולט.
- לקבוע את כיוון זרימת האלקטרונים. מכיוון שאלקטרונים תמיד זורמים מהאנודה לקתודה, אלקטרונים יזרמו מאלקטרודת העופרת לאלקטרודת הנחושת.
- לאחר מכן, התבונן בתא הגלווני הלא ידוע הראשון שלך. זכרו שהמולטימטר מדד את הפרש הפוטנציאלים בין שתי חצאי התגובה, המתאים למתח שמדדתם.
- אנחנו יודעים שאלקטרודה אחת היא נחושת. לכן, אם הפרש המתח שלנו הוא 1.057 וולט, פוטנציאל ההפחתה של התגובה השנייה הוא שלילי 0.720 וולט. זה מתאים לתגובת חצי האבץ. לכן, האלקטרודה הלא ידועה היא אבץ והתמיסה הלא ידועה היא אבץ גופרתי. פוטנציאל ההפחתה של נחושת גבוה מזה של אבץ, ולכן תא הנחושת הוא תא ההפחתה ותא האבץ הוא תא החמצון.
- חשב את ריכוז תמיסת אבץ גופרתי באמצעות משוואת נרנסט. משוואת נרנסט מקשרת בין המתח הנמדד, E, לפוטנציאל ההפחתה הצפוי בתנאים סטנדרטיים, E naught. R הוא קבוע הגז האוניברסלי, T הוא הטמפרטורה, F הוא קבוע פאראדיי, n הוא מספר האלקטרונים המועברים בחצי התגובה, ו-Q_h הוא מנת התגובה.
- מנת התגובה שווה לריכוז המינים הכימיים המתחמצנים חלקי ריכוז המין המופחת. עבור התא הגלווני שלנו, נחושת גופרתית מופחתת אבץ גופרתי מחומצן. מאחר שאנו יודעים את הריכוז של נחושת גופרתית, 0.05 M, אנו יכולים לחשב את הריכוז של תא החמצון, שהיה אבץ גופרתי בניסוי שלנו.
- לבסוף, הסתכלו על תא ריכוז הנחושת. כאן יצרנו תא גלווני עם חצי תא המכיל נחושת אוקסלט מדולל והשני מכיל נחושת גופרתית. מאחר שריכוז הנחושת בחצי התא המדולל משתנה ככל שהניסוי מתקדם, אנו יכולים לחשב את ריכוז יוני הנחושת המומסים באמצעות משוואת נרנסט.
- שתי האלקטרודות זהות בתא ריכוז, ולכן פוטנציאל האלקטרודה הסטנדרטי הוא 0. ההבדל הפוטנציאלי הוא המתח שמדדנו, והוא נובע מההבדל בריכוז הנחושת בין שני התאים. לאחר חיבור הערכים הידועים, אנו יכולים לפתור את ריכוז יון הנחושת בתא המדולל. כאן, ריכוז יוני הנחושת היה 7.9 x ^10-7 מ '.