ガルバニックセル

概念インストラクター準備学生プロトコル
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出典:米国ジョンズ・ホプキンス大学(米国メリーランド州)のSmaa Koraym

  1. 鉛銅ガルバニックセルの構築

    この実験では、鉛-銅ガルバニックセルを構築し、アノードとカソードで発生する酸化還元反応中に生成される電圧を測定します。

    • まず、白衣、手袋、化学スプラッシュゴーグルなど、必要な個人用保護具を着用してください。
    • 0.05 Mの硫酸銅溶液を100 mL調製します。まず、銅硫酸塩五水和物のモル質量を使用して、計量する必要がある硫酸銅の量を計算します。
    • 計算した量を測定し、100mLのメスフラスコに移します。
    • 50mLの脱イオン水を測定し、フラスコに水を注ぎ、フラスコをパラフィンフィルムで密封します。硫酸銅が溶解するまで、必要な回数だけフラスコを渦巻きます。
    • さらに50mLの脱イオン水を測定し、水が100mLの測定ラインに達するまでフラスコを満たします。フラスコをパラフィンフィルムで覆い、溶液が均一になるまでフラスコを反転させて渦巻きます。作成された硫酸銅の正確な濃度でフラスコにラベルを付けます。
    • 0.05 Mの硝酸鉛の20 mL溶液を準備します。必要な硝酸鉛の量を計算し、それを計量して20mLのメスフラスコに加えます。
    • 10mLの脱イオン水を測定し、それを硝酸鉛に加えます。フラスコを密封し、硝酸鉛が完全に溶解するまで溶液を混合します。
    • さらに10mLの水を測定し、溶液のレベルが充填ラインに達するまでフラスコに移します。フラスコを密封し、溶液を完全に混合します。調製した正確な濃度で溶液を標識します。
    • では、ガルバニックセルをセットアップします。まず、銅板2枚、鉛帯、エメリー紙1枚を取り出します。
    • 6ウェルの反応プレートを取り、硫酸銅溶液の一部を1つのウェルに注ぎ、3/4を満たします。隣接するウェルを硝酸鉛溶液で満たします。必ず 2 つのウェルにラベルを付けてください。
    • 600mLビーカーに「廃棄物」のラベルを付けます。
    • エメリー紙を使用して、銅と鉛のストリップを研磨します。研磨後、各ストリップを脱イオン水ですすいでください。
    • マルチメーターを使用して、赤と黒のリード線を適切なプラスとマイナスの接続に接続します。ワニ口クリップを使用して、銅ストリップを一方のリード線に接続し、リード線(Pb)ストリップをもう一方のリード線に接続します。
    • 銅ストリップを硫酸銅溶液の中に入れ、鉛(Pb)ストリップを硝酸鉛溶液の中に置きます。電極の半分が溶液中に入るように両方の電極を調整し、必要に応じて曲げて所定の位置に保持します。
    • 硝酸カリウム溶液に浸した文字列を取得します。
    • 鉗子を使用して、弦の一方の端を硫酸銅に、もう一方の端を硝酸鉛に置き、どちらの電極にも接触しないようにします。これは塩の橋として機能します。
    • マルチメータを電圧設定にオンにし、読み取り値を確認します。負の場合は、電極に取り付けられたリード線を逆にする必要があります。電圧の読み取り値をラボノートに記録します。

      表1:鉛-銅ガルバニックセル

      ΔE測定(ボルト)
      アノード
      陰極
      ここをクリックして表 1 をダウンロード
    • ガラス温度計を使用して、ウェルの1つの温度を測定し、それをラボノートに記録します。
    • 終わったら、井戸から電極を取り外し、溶液を廃棄物ビーカーに注ぎ、塩の橋をゴミ箱に捨ててください。銅と鉛のストリップを脱イオン水ですすぎ、ペーパータオルで乾かします。
  2. 未知の電極を持つガルバニックセル

    実験のこの部分では、未知の電極とそれに対応する溶液を使用してガルバニックセルを構築します。次に、還元電位を使用して電極材料を特定します。インストラクターは、テストする未知のものを割り当てます。

    • 対応する未知の電極を選択し、10mLメスシリンダーを使用して未知の溶液の8mLを取り出します。
    • 未使用の井戸の1つに未知の溶液を注ぎます。未知の溶液を含むウェルにラベルを付け、硫酸銅溶液を隣接するウェルに注ぎます。
    • マルチメータ接続からリード(Pb)ストリップを取り外し、不明なストリップと交換します。
    • 銅線は接続したままにしておきます。電極を対応するウェルに配置し、必要に応じて曲げて所定の位置に保持します。
    • 別の塩橋を取り出し、前と同じように各ウェルに一方の端を配置し、どちらの電極にも触れていないことを確認します。
    • マルチメータの電源を入れ、電圧の読み取り値を記録します。

      表2:未知のガルバニック細胞

      メタル 1 解決策 1 >メタル 2 解決策 2 ΔE measured
      (ボルト)      		 Eº copper
      (ボルト)      		º unknown
      (ボルト)      		>ΔEº 標準条件
      (ボルト)      		>Temperature
      (K)      		>n[赤]
      (M)      		[Ox]
      (M)
      CuCopper
      硫酸      		不明
      #1      		不明
      #1
      CuCopper
      硫酸      		不明
      #2      		不明
      #2
      ここをクリックして表 2 をダウンロード
    • ガラス温度計を使用して未知の井戸の温度を測定し、その値を記録します。
    • 終了したら、電極をウェルから取り外し、水ですすいでください。ペーパータオルで乾かし、脇に置きます。
    • 溶液を廃棄物容器に注ぎます。インストラクターがあなたに2番目の不明を割り当てた場合は、まったく同じ方法で実験を再度実行します。
  3. 濃縮セルの作成

    次の実験では、銅濃度セルを構築します。濃縮セルは、2つの電極が同じ材料であるガルバニックセルです。一方のハーフセルには濃縮溶液が含まれ、もう一方のハーフセルには希薄な溶液が含まれています。希薄セルで酸化が発生すると、電極からのイオンが溶液に入り、溶液がより濃縮されます。

    金属イオンが還元されて電極にめっきされるため、濃縮されたセル内で還元が起こり、それによって溶液の濃度が低下します。2つの半反応は、平衡に達するまで2つの電極間の電圧差を駆動します。

    銅電極、濃縮硫酸銅、希薄シュウ酸銅を用いて濃縮セルを作製します。銅濃度の差によって生じる 2 つのセル間の電圧差を計測します。シュウ酸銅はわずかに溶解性しかないため、電圧測定を使用して、シュウ酸銅溶液中の銅の真の濃度を決定します。

    • まず、シュウ酸銅を作ります。インストラクターから0.1 Mシュウ酸を入手し、100 mLビーカーにシュウ酸銅の化学式をラベル付けします。
    • シュウ酸を50mL量り、ビーカーに注ぎます。容量ピペットを使用して、0.05 M硫酸銅溶液2 mLを測定し、シュウ酸に分注します。
    • ガラス攪拌棒を使用して、溶液を約5分間攪拌します。これにより、反応が平衡に達するのに十分な時間が与えられます。
    • さて、きれいな100mLビーカーに「硫酸銅」のラベルを貼り、0.05Mの溶液を注ぎます。硫酸銅ビーカーとシュウ酸銅ビーカーを近づけて置きます。
    • ラベル付きの100mLビーカーで0.1Mの硝酸カリウムを取得し、カット済みの濾紙を浸し、20秒間浸します。この塩を染み込ませた濾紙は、塩の橋の役割を果たします。
    • 2つのハーフセルが接続されるように、ビーカーを横切って濾紙をセットします。
    • ビーカーの1つで溶液の温度を測定し、ノートブックに記録します。
    • エメリー紙を使用して、2つの銅ストリップを磨きます。磨いた後、両方を水ですすいでください。
    • 銅ストリップをマルチメータのリード線に接続し、各ビーカーに1つの電極を配置します。
    • マルチメータの電源を入れ、電圧を測定します。この値は、ラボ ノートブックに記録します。

      表3:銅濃度セル

      ΔE測定(ボルト)
      温度(K)
      [Cu²+](M)
      R (J/mol・K)8.314
      F(C/mol)96,485
      ここをクリックして表3をダウンロード
    • 終わったら、ビーカーから電極を取り外し、濾紙を捨ててください。電極を外し、脱イオン水ですすいでください。その後、ペーパータオルで乾かします。
    • 最後に、溶液を廃棄物ビーカーに注ぎます。重曹で廃液を中和し、溶液を渦巻き、溶液の泡立ちが止まるまで重曹を追加します。中和した液体を、インストラクターが提供する重金属廃棄物容器に注ぎます。
    • すべてのガラス器具を水で洗い流し、電極を含むすべての機器をインストラクターに返却してください。
  4. Results
    • まず、各電極で起こっている半反応を決定します。ガルバニック細胞の酸化反応と還元反応は自発的であるため、最も還元電位の高い反応が還元反応になります。鉛-銅セルの場合、銅半反応はより高い還元電位を有する。したがって、銅はガルバニックセルで減少します。
    • 次に、リード電極で酸化が発生します。したがって、リード電極で起こる半反応が酸化反応です。酸化は常にアノードで発生します。したがって、リード電極はアノードです。還元は常にカソードで発生します。したがって、銅電極はカソードです。マルチメータの読み取り値は、2つの半反作用間の電圧差、0.463ボルトに等しくなければなりません。
    • 電子の流れの方向を決定します。電子は常にアノードからカソードに流れるため、電子はリード電極から銅電極に流れます。
    • 次に、最初の未知のガルバニック細胞を見てください。マルチメータは、測定した電圧に対応する2つの半反応間の電位差を測定したことを忘れないでください。
    • 1つの電極が銅であることはわかっています。したがって、電圧差が1.057ボルトの場合、他の反応の還元電位はマイナス0.720ボルトです。これは亜鉛半反応に相当します。したがって、未知の電極は亜鉛であり、未知の溶液は硫酸亜鉛です。銅の還元電位は亜鉛の還元電位よりも高いため、銅セルが還元セルであり、亜鉛セルが酸化セルです。
    • ネルンスト方程式を使用して硫酸亜鉛溶液の濃度を計算します。ネルンストの式は、測定された電圧Eを標準条件で予想される低減電位Eに関連付けます。Rは万能気体定数、Tは温度、Fはファラデー定数、nは半反応で転送される電子の数、QHは反応商です。
    • 反応商は、酸化される化学種の濃度を還元される種の濃度で割ったものに等しくなります。私たちのガルバニ電池では、硫酸銅が還元され、硫酸亜鉛が酸化されます。硫酸銅の濃度0.05Mがわかっているので、私たちの実験では硫酸亜鉛であった酸化セルの濃度を計算することができます。
    • 最後に、銅濃度セルを見てください。ここでは、希薄なシュウ酸銅を含むハーフセルと硫酸銅を含むハーフセルを持つガルバニックセルを作成しました。希薄なハーフセルの銅濃度は実験が進むにつれて変化するため、溶存銅イオンの濃度はネルンストの式を用いて計算できます。
    • 濃縮セルでは2つの電極が同じであるため、標準電極電位は0です。電位差は測定した電圧であり、2つのセル間の銅濃度の違いによるものです。既知の値を差し込んだ後、希薄セル内の銅イオンの濃度を解くことができます。ここで、銅イオンの濃度は7.9 x 10-7 Mでした。