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.

갈바닉 셀

개념 교수자 준비사항 학생 실험 절차

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전기화학 반응은 두 물질 사이에서 전자가 전달되는 과정으로, 하나는 전자를 잃고 다른 하나는 전자를 얻습니다. 물질이 전자를 잃을 때, 우리는 그것이 산화를 겪었거나 산화되었다고 말합니다. 전자를 얻을 때, 우리는 그것이 환원을 겪었거나 환원되었다고 말합니다. 이 둘을 구별하는 데 도움이 되도록 'oil rig'라는 문구를 기억하십시오. 일부 전기화학 반응은 자발적으로 발생하며, 이는 갈바닉 셀에서 연구할 수 있습니다.

갈바닉 셀에는 네 가지 주요 부분이 있습니다. 첫째, 두 개의 금속 전극이 있으며 각 전극은 서로 다른 전해질 용액에 잠겨 있습니다. 용액은 각 전극에서 발생하는 반쪽 반응, 즉 산화 또는 환원 반응에 필요한 이온으로 구성됩니다. 용액은 소금 다리로 연결되어 이온의 흐름을 가능하게 하고 용액의 전하 중성을 유지합니다. 전극은 외부 회로로 연결되어 있으며, 전자는 반응 중에 이를 통해 이동합니다.

양극은 반응에서 전자를 포기하거나 산화되는 전극입니다. 음극은 전자를 얻고 감소하는 전극입니다. 이 두 레이블을 구별하는 데 도움이 되도록 음극에서 환원이 발생하므로 'red cat'이라는 문구를 기억하십시오.

그렇다면 어떤 금속이 양극 역할을 하고 어떤 금속이 음극 역할을 하는지 어떻게 알 수 있을까요? 우리는 금속의 표준 전극 전위를 사용할 수 있으며, 이는 금속이 전자를 잃는 경향을 측정한 것입니다. 음극 전위가 더 크다는 것은 금속이 전자를 잃는 경향이 더 높다는 것을 의미합니다. 전자는 항상 표준 전위가 낮은 금속에서 표준 전위가 더 큰 금속으로 흐릅니다.

갈바닉 셀에서 전자는 양극에서 음극으로 흐르므로 양극은 표준 전위가 낮은 금속이고 음극은 표준 전위가 더 높은 금속입니다. 전자가 두 전극 사이를 이동할 때 전위가 측정됩니다. 생성된 전압의 크기는 음극의 표준 전위에서 양극의 표준 전위를 뺀 값과 같습니다.

따라서 예를 들어

납 및 주석과 같이 유사한 표준 전극 전위를 가진 두 개의 금속이 갈바닉 셀에 사용되는 경우 생성되는 전압의 크기가 낮아집니다. 금속이 은과 마그네슘과 같이 다른 표준 전위를 갖는 경우 생성된 전압이 높아집니다.

이 실험실에서는 두 개의 금속 전극을 사용하여 갈바닉 셀을 구성하고 산화 및 환원 반응이 발생할 때 생성되는 전위를 측정합니다. 그런 다음 알려진 표준 전위를 사용하여 알려지지 않은 금속 전극을 식별하고 생성된 전압의 크기를 결정합니다.

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

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이 실험에서는 납-구리 갈바닉 셀을 구성한 다음 양극과 음극에서 발생하는 산화 환원 반응 중에 생성되는 전압을 측정합니다.
- 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.
- 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.
- 이제 갈바닉 셀을 설정합니다. 먼저 구리 시트 두 장, 납 스트립, 에머리 종이 한 장을 회수합니다.
- 질산칼륨 용액에 담근 끈을 얻습니다.
- 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
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  .
- 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.

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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.

사용하지 않는 웰 중 하나에 알 수 없는 용액을 붓습니다. 알 수 없는 용액이 들어 있는 우물에 라벨을 붙이고 인접한 우물에 황산구리 용액을 붓습니다.

멀티미터 연결에서 리드(Pb) 스트립을 제거하고 알 수 없는 스트립으로 교체하십시오.

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.

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)
Cu	copper 황산	unknown #1	unknown #1
Cu	copper 황산	unknown #2	unknown #2

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유리 온도계를 사용하여 알 수 없는 우물의 온도를 측정하고 값을 기록합니다.

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.

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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.
- 옥살산 50mL를 측정하여 비커에 붓습니다. 부피 측정 피펫을 사용하여 0.05M 황산구리 용액 2mL를 측정하고 옥살산에 분주합니다.
- 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.
- 모든 유리 제품을 물로 헹구고 전극을 포함한 모든 장비를 강사에게 반환하십시오.
확장
- 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.
- 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.