갈바닉 셀

개념강사 준비학생 프로토콜
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$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

출처: Smaa Koraym at Johns Hopkins University, MD, USA

  1. 확장

    이 실험에서는 납-구리 갈바닉 셀을 구성한 다음 양극과 음극에서 발생하는 산화 환원 반응 중에 생성되는 전압을 측정합니다.

      < 데이터 하위 메모 항목 = "1-2">
      시작하려면 실험복, 장갑, 화학 스플래시 고글을 포함하여 필요한 개인 보호 장비를 착용하십시오.
    • 100mL의 0.05M 황산구리 용액을 준비합니다. 먼저 황산구리 오수화물의 몰 질량을 사용하여 무게를 측정해야 하는 황산구리의 양을 계산합니다.
    • 계산한 양을 측정하고 100mL 부피 플라스크로 옮깁니다.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "1-5">
      50mL의 탈이온수를 측정하고 물을 플라스크에 붓고 플라스크를 파라핀 필름으로 밀봉합니다. 황산구리가 녹을 때까지 필요한 만큼 플라스크를 휘젓습니다.
    • 탈이온수 50mL를 더 측정하고 물이 100mL 측정 라인에 도달할 때까지 플라스크를 채웁니다. 플라스크를 파라핀 필름으로 덮고 용액이 균질하게 나타날 때까지 플라스크를 뒤집고 소용돌이칩니다. 생성된 황산구리의 정확한 농도로 플라스크에 레이블을 붙입니다.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "1-7">
      0.05M 질산납 20mL 용액을 준비합니다. 필요한 질산납의 양을 계산한 다음 무게를 측정하여 20mL 부피 플라스크에 추가합니다.
      < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-8">
      탈이온수 10mL를 측정하여 질산납에 첨가합니다. 플라스크를 밀봉하고 질산납이 완전히 용해될 때까지 용액을 혼합합니다.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "1-9">
      물 10mL를 더 측정하고 용액 수준이 채우기 선에 도달할 때까지 플라스크로 옮깁니다. 플라스크를 밀봉하고 용액을 철저히 섞습니다. 준비된 정확한 농도로 용액에 라벨을 붙입니다.
    • 이제 갈바닉 셀을 설정합니다. 먼저 구리 시트 두 장, 납 스트립, 에머리 종이 한 장을 회수합니다.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "1-11">
      6웰 반응판을 가져다가 황산구리 용액을 하나의 웰에 붓고 3/4을 채웁니다. 인접한 우물을 질산납 용액으로 채웁니다. 두 개의 우물에 레이블을 지정해야 합니다.
      < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-12">
      600mL 비커를 '폐기물'로 표시합니다.
      < 데이터 하위 메모 항목 = "1-13">
      에머리 종이를 사용하여 구리와 리드 스트립을 연마합니다. 연마 후 각 스트립을 탈이온수로 헹굽니다.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "1-14">
      멀티미터를 사용하여 빨간색과 검은색 리드를 적절한 플러스 및 마이너스 연결에 연결합니다. 앨리게이터 클립을 사용하여 구리 스트립을 한 리드에 연결하고 리드(Pb) 스트립을 다른 리드에 연결합니다.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "1-15">
      구리 황산염 용액 내부에 구리 스트립을 놓고 질산납 용액 내부에 납(Pb) 스트립을 놓습니다. 전극의 절반이 용액에 있도록 두 전극을 조정하고 필요한 경우 구부려 제자리에 고정합니다.
    • 질산칼륨 용액에 담근 끈을 얻습니다.
    • < 데이터 하위 메모 항목 = "1-17">
      집게를 사용하여 끈의 한쪽 끝을 황산구리에 놓고 다른 쪽 끝을 질산납에 놓고 두 전극과 접촉하지 않도록 합니다. 이것은 소금 다리 역할을 할 것입니다.
    • 멀티미터를 전압 설정으로 켜고 판독값을 확인합니다. 음수이면 전극에 연결된 리드를 반대로 해야 합니다. 실험실 노트에 전압 판독값을 기록하십시오.

      표 1: 납-구리 갈바닉 전지

      ΔE 측정(볼트)
      양극
      음극
      표 1을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오
      .
    • 유리 온도계를 사용하여 우물 중 하나의 온도를 측정하고 실험실 노트에 기록하십시오.
    • 완료되면 우물에서 전극을 제거하고 용액을 폐기물 비커에 붓고 소금 다리를 쓰레기통에 버리십시오. 구리와 납 스트립을 탈이온수로 헹구고 종이 타월로 말리십시오.
  2. 확장

    실험의 이 부분에서는 알 수 없는 전극과 해당 용액을 가진 갈바닉 셀을 구성합니다. 그런 다음 환원 전위를 사용하여 전극 재료를 식별합니다. 강사는 테스트할 미지의 것을 할당할 것입니다.

    • 해당하는 알 수 없는 전극을 선택하고 10mL 눈금이 매겨진 실린더를 사용하여 알 수 없는 용액 8mL를 검색합니다.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "2-3">
      사용하지 않는 웰 중 하나에 알 수 없는 용액을 붓습니다. 알 수 없는 용액이 들어 있는 우물에 라벨을 붙이고 인접한 우물에 황산구리 용액을 붓습니다.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "2-4">
      멀티미터 연결에서 리드(Pb) 스트립을 제거하고 알 수 없는 스트립으로 교체하십시오.
      < 데이터 하위 메모 항목 = "2-5">
      구리 스트립을 연결된 상태로 둡니다. 전극을 해당 우물에 놓고 필요한 경우 구부려 제자리에 고정합니다.
    • 다른 소금 다리를 검색하고 이전과 같이 각 우물에 한쪽 끝을 놓고 두 전극에 닿지 않는지 확인합니다.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "2-7">
      멀티미터를 켜고 전압 판독값을 기록합니다.

      표 2: 알려지지 않은 갈바닉 전지

      금속 1 솔루션 1 금속 2 솔루션 2 δe measured
      (볼트)
      구리
      (볼트)
      > 알 수 없음
      (볼트)
      >ΔEº 표준 조건
      (볼트)
      Temperature
      (케이)
      n[Red]
      (미디엄)
      [Ox]
      (미디엄)
      Cucopper
      황산
      unknown
      #1
      unknown
      #1
      Cucopper
      황산
      unknown
      #2
      unknown
      #2
      표 2를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오
      .
    • 유리 온도계를 사용하여 알 수 없는 우물의 온도를 측정하고 값을 기록합니다.
    • < 데이터 하위 메모 항목 = "2-9">
      완료되면 우물에서 전극을 제거하고 물로 헹굽니다. 종이 타월로 말리고 따로 보관하십시오.
    • 용액을 폐기물 용기에 붓습니다. 강사가 두 번째 미지수를 할당한 경우 정확히 같은 방식으로 실험을 다시 수행합니다.
  3. 확장

    다음 실험에서는 구리 농도 셀을 구성합니다. 농도 셀은 두 전극이 동일한 재료인 갈바닉 셀입니다. 하나의 반쪽 셀에는 농축 용액이 포함되어 있고 다른 절반에는 묽은 용액이 포함되어 있습니다. 묽은 셀에서 산화가 발생하면 전극의 이온이 용액으로 들어가 용액을 더 농축시킵니다.

    환원은 금속 이온이 환원되어 전극에 도금됨에 따라 농축된 셀에서 발생하여 용액의 농도를 낮춥니다. 두 개의 반쪽 반응은 평형에 도달할 때까지 두 전극 사이의 전압 차이를 구동합니다.

    구리 전극, 농축 황산구리 및 묽은 옥살산구리를 사용하여 농축 셀을 구성합니다. 구리 농도의 차이로 인한 두 셀 간의 전압 차이를 측정합니다. 구리 옥살레이트는 약간만 용해되기 때문에 전압 측정을 사용하여 구리 옥살레이트 용액에서 구리의 실제 농도를 결정합니다.

      < 데이터 하위 노트 항목 = "3-4">
      시작하려면 옥살산 구리를 만드십시오. 강사로부터 0.1M 옥살산을 얻은 다음 100mL 비커에 옥살산구리의 화학식을 표시합니다.
    • 옥살산 50mL를 측정하여 비커에 붓습니다. 부피 측정 피펫을 사용하여 0.05M 황산구리 용액 2mL를 측정하고 옥살산에 분주합니다.
    • < 데이터 하위 메모 항목 = "3-6">
      유리 교반 막대를 사용하여 용액을 약 5분 동안 저어줍니다. 이것은 반응이 평형에 도달할 수 있는 충분한 시간을 제공합니다.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "3-7">
      이제 깨끗한 100mL 비커에 '황산구리'라는 라벨을 붙이고 0.05M 용액을 붓습니다. 황산구리 비커와 옥살산구리 비커를 서로 가깝게 놓습니다.
    • 라벨이 붙은 100mL 비커에 0.1M 질산칼륨을 넣고 미리 자른 여과지 조각을 그 안에 담가 20초 동안 담가둡니다. 이 소금에 적신 여과지는 소금 다리 역할을 합니다.
    • 두 개의 반쪽 셀을 연결하도록 비커를 가로질러 여과지를 설정합니다.
    • 비커 중 하나에서 용액의 온도를 측정하고 노트북에 기록합니다.
    • 에머리 종이를 사용하여 두 개의 구리 스트립을 연마하십시오. 연마 후 둘 다 물로 헹굽니다.
    • 구리 스트립을 멀티미터의 리드에 연결하고 각 비커에 하나의 전극을 배치합니다.
    • 멀티미터를 켜고 전압을 측정합니다. 이 값을 랩 노트북에 기록합니다.

      표 3: 구리 농도 셀

      ΔE 측정(볼트)
      온도 (K)
      [입방²+] (m)
      R (J/mol·케이)8.314
      에프 (C/mol)96,485
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      .
    • 완료되면 비커에서 전극을 제거하고 여과지를 버리십시오. 전극을 분리하고 탈이온수로 헹굽니다. 그런 다음 종이 타월로 말리십시오.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "3-15">
      마지막으로 용액을 폐기물 비커에 붓습니다. 액체 폐기물을 베이킹 소다로 중화하고 용액을 휘젓고 용액이 거품을 멈출 때까지 베이킹 소다를 더 추가합니다. 강사가 제공한 중금속 폐기물 용기에 중화된 액체를 붓습니다.
    • 모든 유리 제품을 물로 헹구고 전극을 포함한 모든 장비를 강사에게 반환하십시오.
  4. 확장
      < 데이터 하위 노트 항목 = "4-1">
      먼저 각 전극에서 발생하는 반쪽 반응을 확인합니다. 갈바닉 전지의 산화 및 환원 반응은 자발적이기 때문에 환원 가능성이 가장 높은 반응이 환원 반응이 됩니다. 납-구리 전지의 경우 구리 반쪽 반응은 더 높은 환원 전위를 갖습니다. 따라서 구리는 갈바닉 셀에서 환원됩니다.
    • 차례로 리드 전극에서 산화가 발생합니다. 따라서, 선도 전극에서 발생하는 반쪽 반응은 산화 반응입니다. 산화는 항상 양극에서 발생합니다. 따라서 리드 전극은 양극입니다. 환원은 항상 음극에서 발생합니다. 따라서 구리 전극은 음극입니다. 멀티미터 판독값은 두 반쪽 반응 사이의 전압 차이인 0.463볼트와 같아야 합니다.
    • 전자 흐름의 방향을 결정합니다. 전자는 항상 양극에서 음극으로 흐르기 때문에 전자는 납 전극에서 구리 전극으로 흐를 것입니다.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "4-4">
      다음으로 첫 번째 알려지지 않은 갈바닉 셀을 살펴보십시오. 멀티미터는 측정한 전압에 해당하는 두 반쪽 반응 사이의 전위 차이를 측정했음을 기억하십시오.
    • 우리는 하나의 전극이 구리라는 것을 알고 있습니다. 따라서 전압 차이가 1.057볼트인 경우 다른 반응의 감소 전위는 음의 0.720볼트입니다. 이것은 아연 반쪽 반응에 해당합니다. 따라서 미지의 전극은 아연이고 미지의 용액은 황산아연입니다. 구리의 환원 전위는 아연의 환원 전위보다 높기 때문에 구리 전지는 환원 전지이고 아연 전지는 산화 전지입니다.
    • Nernst 방정식을 사용하여 황산아연 용액의 농도를 계산합니다. Nernst 방정식은 측정된 전압 E를 표준 조건 E naught에서 예상되는 감소 전위와 관련시킵니다. R은 보편적인 기체 상수, T는 온도, F는 패러데이 상수, n은 반쪽 반응에서 전달된 전자의 수,Qh는 반응 지수입니다.
    • < 데이터 하위 노트 항목 = "4-7">
      반응 지수는 산화되는 화학 종의 농도를 감소되는 종의 농도로 나눈 값과 같습니다. 갈바닉 셀의 경우 황산구리가 환원되고 황산아연이 산화됩니다. 우리는 황산구리의 농도 0.05M를 알고 있기 때문에 실험에서 황산아연이었던 산화 셀의 농도를 계산할 수 있습니다.
      < 데이터 하위 노트 항목 = "4-8">
      마지막으로 구리 농도 셀을 살펴봅니다. 여기에서 우리는 묽은 구리 옥살레이트를 포함하는 반쪽 셀과 황산구리를 포함하는 다른 셀이 있는 갈바닉 셀을 만들었습니다. 묽은 반쪽 전지의 구리 농도는 실험이 진행됨에 따라 변하기 때문에 Nernst 방정식을 사용하여 용해된 구리 이온의 농도를 계산할 수 있습니다.
      < 데이터 하위 참고 항목 = "4-9">
      두 전극은 농도 셀에서 동일하므로 표준 전극 전위는 0입니다. 전위차는 우리가 측정한 전압이며 이는 두 셀 사이의 구리 농도 차이 때문입니다. 알려진 값을 연결한 후 희석된 셀의 구리 이온 농도를 해결할 수 있습니다. 여기서 구리 이온의 농도는 7.9 x 10-7 M이었다.