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.

Celle galvaniche

Concetti Preparazione dell’insegnante Protocollo per gli studenti

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Una reazione elettrochimica è un processo in cui gli elettroni vengono trasferiti tra due sostanze, con una che perde elettroni e l'altra che li guadagna. Quando una sostanza perde elettroni, diciamo che ha subito un'ossidazione o che è stata ossidata. Quando guadagna elettroni, diciamo che ha subito una riduzione o è stato ridotto. Per aiutarvi a distinguere tra i due, ricordate la frase "piattaforma petrolifera", che sta per ossidazione sta perdendo, riduzione sta guadagnando. Alcune reazioni elettrochimiche avvengono spontaneamente, che possiamo studiare in una cella galvanica.

La cella galvanica è composta da quattro parti principali. Innanzitutto, ci sono due elettrodi metallici, ognuno dei quali è immerso in una diversa soluzione elettrolitica. Le soluzioni sono costituite dagli ioni necessari per le semireazioni, sia la reazione di ossidazione che quella di riduzione, che si verificano in ciascun elettrodo. Le soluzioni sono collegate da un ponte salino, che consente il flusso di ioni e mantiene la neutralità di carica delle soluzioni. Gli elettrodi sono collegati da un circuito esterno, attraverso il quale gli elettroni viaggiano durante la reazione.

L'anodo è l'elettrodo che cede elettroni nella reazione o viene ossidato. Il catodo è l'elettrodo che guadagna elettroni e si riduce. Per aiutarti a distinguere tra queste due etichette, ricorda la frase "gatto rosso", poiché la riduzione avviene al catodo.

Quindi, come facciamo a sapere quale metallo funge da anodo e quale funge da catodo? Possiamo utilizzare il potenziale elettrodico standard del metallo, che è una misura della tendenza del metallo a perdere elettroni. Un potenziale elettrodico più negativo significa che il metallo ha una maggiore tendenza a perdere elettroni. Gli elettroni fluiscono sempre dal metallo con il potenziale standard più basso al metallo con il potenziale standard maggiore.

In una cella galvanica, gli elettroni fluiscono dall'anodo al catodo, quindi l'anodo è il metallo con il potenziale standard più basso e il catodo è il metallo con il potenziale standard più alto. Quando gli elettroni viaggiano tra i due elettrodi, viene misurato un potenziale elettrico. L'entità della tensione prodotta è uguale al potenziale standard del catodo meno il potenziale standard dell'anodo.

Quindi, se nella cella galvanica vengono utilizzati due metalli con potenziali elettrodici standard simili, come ad esempio piombo e stagno, l'entità della tensione prodotta sarà bassa. Se i metalli hanno diversi potenziali standard, come l'argento e il magnesio, la tensione prodotta sarà elevata.

In questo laboratorio, costruirai una cella galvanica utilizzando due elettrodi metallici e misurerai il potenziale prodotto quando avvengono le reazioni di ossidazione e riduzione. Identificherai quindi gli elettrodi metallici sconosciuti utilizzando potenziali standard noti e determinerai l'entità della tensione prodotta.

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Fonte: Smaa Koraym presso la Johns Hopkins University, MD, USA

Costruzione di una cella galvanica piombo-rame
In questo esperimento, costruirai una cella galvanica piombo-rame e quindi misurerai la tensione generata durante le reazioni redox che si verificano all'anodo e al catodo.
- Per iniziare, indossa i dispositivi di protezione individuale necessari, tra cui un camice da laboratorio, guanti e occhiali chimici per gli schizzi.
- Prepara 100 ml di una soluzione di solfato di rame 0,05 M. Innanzitutto, calcola la quantità di solfato di rame che dovrai pesare utilizzando la massa molare del solfato di rame pentaidrato.
- Misura la quantità che hai calcolato e trasferiscila in un pallone tarato da 100 ml.
- Misura 50 ml di acqua deionizzata, versa l'acqua nel pallone e sigilla il pallone con un film di paraffina. Agitare il pallone tutte le volte necessarie fino a quando il solfato di rame non si scioglie.
- Misura altri 50 ml di acqua deionizzata e riempi il pallone fino a quando l'acqua raggiunge la linea di misurazione da 100 ml. Coprire il pallone con pellicola di paraffina e capovolgere e agitare il pallone fino a quando la soluzione appare omogenea. Etichettare il pallone con l'esatta concentrazione di solfato di rame creato.
- Prepara una soluzione da 20 ml di nitrato di piombo 0,05 M. Calcola la quantità di nitrato di piombo di cui hai bisogno, quindi pesala e aggiungila a un matraccio tarato da 20 ml.
- Misura 10 ml di acqua deionizzata e aggiungila al nitrato di piombo. Sigillare il pallone e mescolare la soluzione fino a quando il nitrato di piombo non si sarà completamente sciolto.
- Misura altri 10 ml di acqua e trasferiscili nel pallone fino a quando il livello della soluzione raggiunge la linea di riempimento. Sigillare il pallone e mescolare accuratamente la soluzione. Etichettare la soluzione con l'esatta concentrazione preparata.
- Ora, configura la cella galvanica. Per prima cosa, recupera due pezzi di foglio di rame, una striscia di piombo e un pezzo di carta smeriglio.
- Prendi la tua piastra di reazione a 6 pozzetti e versa un po' della soluzione di solfato di rame in un pozzetto, riempiendolo per 3/4. Riempire un pozzetto adiacente con una soluzione di nitrato di piombo. Assicurati di etichettare i due pozzetti.
- Etichetta il tuo becher da 600 ml come 'rifiuto'.
- Usa la carta smeriglio per lucidare le strisce di rame e piombo. Sciacquare ogni striscia con acqua deionizzata dopo la lucidatura.
- Prendi il tuo multimetro e collega i cavi rosso e nero alle connessioni più e meno appropriate. Utilizzare clip a coccodrillo per collegare la striscia di rame a un cavo e la striscia di piombo (Pb) all'altro cavo.
- Posiziona la striscia di rame all'interno della soluzione di solfato di rame e posiziona la striscia di piombo (Pb) all'interno della soluzione di nitrato di piombo. Regolare entrambi gli elettrodi in modo che metà dell'elettrodo si trovi nella soluzione, piegandoli se necessario per mantenerli in posizione.
- Ottieni una corda che è stata immersa nella soluzione di nitrato di potassio.
- Usa una pinza per posizionare un'estremità della corda nel solfato di rame e l'altra estremità nel nitrato di piombo, assicurandoti che non entri in contatto con nessuno dei due elettrodi. Questo fungerà da ponte di sale.
- Accendi il tuo multimetro sull'impostazione della tensione e controlla la lettura. Se è negativo, è necessario invertire i cavi collegati agli elettrodi. Registra la lettura della tensione nel tuo quaderno di laboratorio.
  Tabella 1: Cella galvanica piombo-rame
  
  ΔE misurato (volt)
  anodo
  catodo
  Clicca qui per scaricare la Tabella 1
- Usa un termometro di vetro per misurare la temperatura di uno dei pozzetti e registrarla nel tuo quaderno di laboratorio.
- Quando hai finito, rimuovi gli elettrodi dai pozzetti, versa le soluzioni nel becher dei rifiuti e getta il ponte di sale nella spazzatura. Sciacquare le strisce di rame e piombo con acqua deionizzata e asciugarle con un tovagliolo di carta.

Cella galvanica con elettrodi sconosciuti

In questa parte dell'esperimento, costruirai una cella galvanica con un elettrodo sconosciuto e la sua soluzione corrispondente. Utilizzerai quindi il potenziale di riduzione per identificare il materiale dell'elettrodo. Il tuo istruttore ti assegnerà l'incognita che testerai.

Seleziona l'elettrodo sconosciuto corrispondente e usa il tuo cilindro graduato da 10 ml per recuperare 8 ml della soluzione sconosciuta.
Versa la soluzione sconosciuta in uno dei pozzi inutilizzati. Etichettare il pozzetto contenente la soluzione sconosciuta e versare la soluzione di solfato di rame nel pozzetto adiacente.
Rimuovi la striscia di piombo (Pb) dalla connessione del multimetro e sostituiscila con la tua striscia sconosciuta.
Lascia la striscia di rame collegata. Posizionare gli elettrodi nei pozzetti corrispondenti, piegandoli se necessario per mantenerli in posizione.
Recupera un altro ponte di sale e posiziona un'estremità in ogni pozzetto come prima, assicurandoti che non tocchi nessuno dei due elettrodi.

Accendi il multimetro e registra la lettura della tensione.

Tabella 2: Celle galvaniche sconosciute

Metal 1	Soluzione 1	Metal 2	Soluzione 2	ΔE misurato (volt)	Eº copper (volt)	Eº sconosciuto (volt)	ΔEº condizioni standard (volt)	Temperatura (K)	n	[Rosso] (M)	[Ox] (M)
Cu	Copper solfato	Sconosciuto #1	Sconosciuto #1
Cu	Copper solfato	Sconosciuto #2	Sconosciuto #2

Clicca qui per scaricare la Tabella 2

Misura la temperatura del pozzo sconosciuto usando il termometro di vetro e registra il valore.
Quando hai finito, rimuovi gli elettrodi dai pozzetti e sciacquali con acqua. Asciugateli con carta assorbente e metteteli da parte.
Versa le soluzioni nel contenitore dei rifiuti. Se l'istruttore ti ha assegnato un secondo sconosciuto, ripeti l'esperimento esattamente allo stesso modo.

Creazione di una cella di concentrazione
Nel prossimo esperimento, costruirai una cella di concentrazione di rame. Una cella di concentrazione è una cella galvanica in cui i due elettrodi sono dello stesso materiale. Una semicella contiene una soluzione concentrata, mentre l'altra contiene una soluzione diluita. Quando si verifica l'ossidazione nella cella diluita, gli ioni dell'elettrodo entrano nella soluzione rendendola più concentrata.

La riduzione si verifica nella cella concentrata quando gli ioni metallici vengono ridotti e placcati sull'elettrodo, abbassando così la concentrazione della soluzione. Le due semireazioni determinano una differenza di tensione tra i due elettrodi fino a raggiungere l'equilibrio.

Costruirai una cella di concentrazione utilizzando elettrodi di rame, solfato di rame concentrato e ossalato di rame diluito. Misurerai la differenza di tensione tra le due celle causata dalla differenza nella concentrazione di rame. Poiché l'ossalato di rame è solo leggermente solubile, utilizzerai quindi la misurazione della tensione per determinare la vera concentrazione di rame nella soluzione di ossalato di rame.
- Per iniziare, prepara l'ossalato di rame. Ottieni 0,1 M di acido ossalico dal tuo istruttore, quindi etichetta un becher da 100 ml con la formula chimica per l'ossalato di rame.
- Misura 50 ml di acido ossalico e versalo nel becher. Utilizzare la pipetta volumetrica per misurare 2 mL della soluzione di solfato di rame 0,05 M e dosarla nell'acido ossalico.
- Usa un'asta di vetro per mescolare la soluzione per circa 5 minuti. Questo dà alla reazione abbastanza tempo per raggiungere l'equilibrio.
- Ora, etichetta un becher pulito da 100 ml come 'solfato di rame' e versaci dentro la soluzione 0.05 M. Posizionare il becher di solfato di rame e il becher di ossalato di rame vicini.
- Ottieni 0,1 M di nitrato di potassio in un becher da 100 ml etichettato e immergi un pezzo di carta da filtro pretagliato, lasciandolo in ammollo per 20 s. Questa carta da filtro imbevuta di sale fungerà da ponte di sale.
- Posiziona la carta da filtro sui becher in modo che colleghi le due semicelle.
- Misura la temperatura della soluzione in uno dei becher e registrala sul tuo quaderno.
- Usa la carta smeriglio per lucidare le tue due strisce di rame. Sciacquarli entrambi con acqua dopo la lucidatura.
- Collega le strisce di rame ai cavi del multimetro e posiziona un elettrodo in ogni becher.
- Accendi il multimetro e misura la tensione. Registrare questo valore nel taccuino del laboratorio.
  Tabella 3: Cella di concentrazione di rame
  
  ΔE misurato (volt)
  Temperatura (K)
  [Cu²⁺] (m)
  R (J/mol·K) 8.314
  F (C/mol) 96,485
  Clicca qui per scaricare la Tabella 3
- Quando hai finito, rimuovi gli elettrodi dal becher e butta via la carta da filtro. Scollegare gli elettrodi e sciacquarli con acqua deionizzata. Quindi, asciugali con un tovagliolo di carta.
- Infine, versa le soluzioni nel tuo becher di rifiuti. Neutralizza i rifiuti liquidi con il bicarbonato di sodio, facendo roteare la soluzione e aggiungendo altro bicarbonato di sodio fino a quando la soluzione non smette di gorgogliare. Versa il liquido neutralizzato nel contenitore per rifiuti di metallo pesante fornito dal tuo istruttore.
- Risciacqua tutta la vetreria con acqua e restituisci tutta l'attrezzatura, compresi gli elettrodi, al tuo istruttore.
Risultati
- Innanzitutto, determina le semireazioni che avvengono su ogni elettrodo. Poiché le reazioni di ossidazione e riduzione nelle celle galvaniche sono spontanee, la reazione con il più alto potenziale di riduzione sarà la reazione di riduzione. Nel caso della cella piombo-rame, la semireazione del rame ha il potenziale di riduzione più elevato; Pertanto, il rame viene ridotto nella nostra cella galvanica.
- A sua volta, l'ossidazione avviene all'elettrodo di piombo. Pertanto, la semireazione che si verifica all'elettrodo di piombo è una reazione di ossidazione. L'ossidazione avviene sempre all'anodo; Pertanto, l'elettrodo di piombo è l'anodo. La riduzione avviene sempre al catodo; Pertanto, l'elettrodo di rame è il catodo. La lettura del multimetro dovrebbe essere uguale alla differenza di tensione tra le due semireazioni, 0,463 volt.
- Determina la direzione del flusso di elettroni. Poiché gli elettroni fluiscono sempre dall'anodo al catodo, gli elettroni fluiranno dall'elettrodo principale all'elettrodo di rame.
- Poi, guarda la tua prima cella galvanica sconosciuta. Ricorda che il multimetro ha misurato la differenza di potenziali tra le due semireazioni, che corrisponde alla tensione che hai misurato.
- Sappiamo che un elettrodo è di rame. Quindi, se la nostra differenza di tensione è di 1,057 volt, il potenziale di riduzione dell'altra reazione è negativo di 0,720 volt. Questo corrisponde alla semireazione dello zinco. Pertanto, l'elettrodo sconosciuto è lo zinco e la soluzione incognita è il solfato di zinco. Il potenziale di riduzione del rame è superiore a quello dello zinco, quindi la cella di rame è la cella di riduzione e la cella di zinco è la cella di ossidazione.
- Calcola la concentrazione della soluzione di solfato di zinco utilizzando l'equazione di Nernst. L'equazione di Nernst mette in relazione la tensione misurata, E, con il potenziale di riduzione atteso in condizioni standard, E nullo. R è la costante universale dei gas, T è la temperatura, F è la costante di Faraday, n è il numero di elettroni trasferiti nella semireazione e Q_h è il quoziente di reazione.
- Il quoziente di reazione è uguale alla concentrazione della specie chimica che viene ossidata divisa per la concentrazione della specie che viene ridotta. Per la nostra cella galvanica si riduce il solfato di rame e si ossida il solfato di zinco. Poiché conosciamo la concentrazione di solfato di rame, 0,05 M, possiamo calcolare la concentrazione della cella di ossidazione, che era solfato di zinco nel nostro esperimento.
- Infine, guarda la cella di concentrazione del rame. Qui abbiamo creato una cella galvanica con una semicella contenente ossalato di rame diluito e l'altra contenente solfato di rame. Poiché la concentrazione di rame nella semicella diluita cambia man mano che l'esperimento procede, possiamo calcolare la concentrazione di ioni di rame disciolti utilizzando l'equazione di Nernst.
- I due elettrodi sono gli stessi in una cella di concentrazione, quindi il potenziale standard dell'elettrodo è 0. La differenza di potenziale è la tensione che abbiamo misurato, ed è dovuta alla differenza nella concentrazione di rame tra le due celle. Dopo aver inserito i valori noti, possiamo quindi risolvere la concentrazione dello ione rame nella cella diluita. Qui, la concentrazione di ioni rame era di 7,9 x ^10-7 M.