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.

Ogniwa galwaniczne

Koncepcje Przygotowanie dla instruktora Protokół dla studentów

0 wyświetleń03:31 min.

Reakcja elektrochemiczna to proces, w którym elektrony są przenoszone między dwiema substancjami, z których jedna traci elektrony, a druga je zyskuje. Kiedy substancja traci elektrony, mówimy, że uległa utlenieniu lub że została utleniona. Kiedy zyskuje elektrony, mówimy, że uległ redukcji lub został zredukowany. Aby pomóc Ci je rozróżnić, pamiętaj o wyrażeniu "platforma wiertnicza", które oznacza utlenianie to tracenie, redukcja to zysk. Niektóre reakcje elektrochemiczne zachodzą spontanicznie, które możemy badać w ogniwie galwanicznym.

Ogniwo galwaniczne składa się z czterech głównych części. Po pierwsze, są to dwie metalowe elektrody, z których każda jest zanurzona w innym roztworze elektrolitu. Roztwory składają się z jonów potrzebnych do półreakcji, reakcji utleniania lub redukcji, które zachodzą na każdej elektrodzie. Roztwory są połączone mostkiem solnym, który umożliwia przepływ jonów i utrzymuje neutralność ładunku roztworów. Elektrody są połączone zewnętrznym obwodem, przez który przechodzą elektrony podczas reakcji.

Anoda to elektroda, która oddaje elektrony w reakcji lub ulega utlenieniu. Katoda to elektroda, która zyskuje elektrony i jest redukowana. Aby pomóc Ci rozróżnić te dwie etykiety, pamiętaj o wyrażeniu "czerwony kot", ponieważ redukcja zachodzi na katodzie.

Skąd więc wiemy, który metal działa jako anoda, a który jako katoda? Możemy użyć standardowego potencjału elektrody metalu, który jest miarą tendencji metalu do utraty elektronów. Bardziej ujemny potencjał elektrody oznacza, że metal ma większą tendencję do utraty elektronów. Elektrony zawsze przepływają z metalu o niższym potencjale standardowym do metalu o większym potencjale standardowym.

W ogniwie galwanicznym elektrony przepływają od anody do katody, więc anoda jest metalem o niższym potencjale standardowym, a katoda jest metalem o wyższym potencjale standardowym. Gdy elektrony przemieszczają się między dwiema elektrodami, mierzony jest potencjał elektryczny. Wielkość wytwarzanego napięcia jest równa potencjałowi standardowemu katody pomniejszonym o potencjał standardowy anody.

Tak więc, jeśli w ogniwie galwanicznym zostaną użyte dwa metale o podobnych standardowych potencjałach elektrodowych, takie jak na przykład ołów i cyna, wielkość wytwarzanego napięcia będzie niska. Jeśli metale mają różne potencjały standardowe, takie jak srebro i magnez, wytwarzane napięcie będzie wysokie.

W tym laboratorium skonstruujesz ogniwo galwaniczne przy użyciu dwóch metalowych elektrod i zmierzysz potencjał wytwarzany w wyniku zachodzących reakcji utleniania i redukcji. Następnie zidentyfikujesz nieznane elektrody metalowe przy użyciu znanych potencjałów standardowych i określisz wielkość wytwarzanego napięcia.

Print Procedure Steps

Źródło: Smaa Koraym z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, MD, USA

Budowa ogniwa galwanicznego ołowiowo-miedziowego
W tym eksperymencie skonstruujesz ogniwo galwaniczne ołowiowo-miedziane, a następnie zmierzysz napięcie, które jest generowane podczas reakcji redoks zachodzących na anodzie i katodzie.
- Na początek załóż niezbędne środki ochrony osobistej, w tym fartuch laboratoryjny, rękawice i gogle do ochrony przed rozpryskami chemikaliów.
- Przygotuj 100 ml 0,05 M roztworu siarczanu miedzi. Najpierw oblicz ilość siarczanu miedzi, którą będziesz musiał zważyć, używając masy molowej pentahydratu siarczanu miedzi.
- Zmierz obliczoną ilość i przenieś ją do 100-mililitrowej kolby miarowej.
- Odmierz 50 ml wody dejonizowanej, wlej wodę do kolby i zamknij kolbę folią parafinową. Obracać kolbą tyle razy, ile potrzeba, aż siarczan miedzi się rozpuści.
- Odmierz kolejne 50 ml wody dejonizowanej i napełnij kolbę, aż woda dotrze do linii pomiarowej 100 ml. Przykryj kolbę folią parafinową i odwróć i obracaj kolbę, aż roztwór stanie się jednorodny. Oznaczyć kolbę dokładnym stężeniem wytworzonego siarczanu miedzi.
- Przygotuj 20-mililitrowy roztwór 0,05 M azotanu ołowiu. Oblicz potrzebną ilość azotanu ołowiu, a następnie odważ go i dodaj do kolby miarowej o pojemności 20 ml.
- Odmierz 10 ml wody dejonizowanej i dodaj ją do azotanu ołowiu. Zamknąć kolbę i mieszać roztwór, aż azotan ołowiu całkowicie się rozpuści.
- Odmierz kolejne 10 ml wody i przenieś ją do kolby, aż poziom roztworu osiągnie linię napełniania. Zamknąć kolbę i dokładnie wymieszać roztwór. Oznacz roztwór dokładnym przygotowanym stężeniem.
- Teraz ustaw ogniwo galwaniczne. Najpierw weź dwa kawałki blachy miedzianej, pasek ołowiu i kawałek papieru ściernego.
- Weź swoją 6-dołkową płytkę reakcyjną i wlej trochę roztworu siarczanu miedzi do jednego dołka, wypełniając go do 3/4 wysokości. Napełnij sąsiednią studzienkę roztworem azotanu ołowiu. Pamiętaj, aby oznaczyć dwie studzienki.
- Oznacz swoją zlewkę o pojemności 600 ml jako 'odpad'.
- Użyj papieru ściernego do polerowania taśm miedzianych i ołowianych. Po wypolerowaniu spłucz każdy pasek wodą dejonizowaną.
- Weź swój multimetr i podłącz czerwony i przewód do odpowiednich połączeń plus i minus. Użyj zacisków krokodylkowych, aby połączyć pasek miedziany z jednym przewodem, a pasek ołowiany (Pb) z drugim przewodem.
- Umieść pasek miedzi w roztworze siarczanu miedzi, a pasek ołowiu (Pb) w roztworze azotanu ołowiu. Wyreguluj obie elektrody tak, aby połowa elektrody znajdowała się w roztworze, zginając je w razie potrzeby, aby utrzymać je na miejscu.
- Zdobądź ciąg, który był moczony w roztworze azotanu potasu.
- Użyj kleszczy, aby umieścić jeden koniec sznurka w siarczanie miedzi, a drugi koniec w azotanie ołowiu, upewniając się, że nie styka się z żadną elektrodą. Będzie to działać jak most solny.
- Włącz multimetr na ustawienie napięcia i sprawdź odczyt. Jeśli jest ujemny, należy odwrócić przewody podłączone do elektrod. Zapisz odczyt napięcia w notatniku laboratoryjnym.
  Tabela 1: Ogniwo galwaniczne ołowiowo-miedziowe
  
  ΔE mierzone (wolty)
  anoda
  katoda
  Kliknij tutaj, aby pobrać Tabelę 1
- Użyj szklanego termometru, aby zmierzyć temperaturę jednego z dołków i zapisz ją w swoim notatniku laboratoryjnym.
- Gdy skończysz, wyjmij elektrody ze studzienek, wlej roztwory do zlewki na odpady i wyrzuć most solny do kosza. Opłucz paski miedzi i ołowiu wodą dejonizowaną i osusz je ręcznikiem papierowym.

Ogniwo galwaniczne z nieznanymi elektrodami

W tej części eksperymentu skonstruujesz ogniwo galwaniczne z nieznaną elektrodą i odpowiadającym jej roztworem. Następnie wykorzystasz potencjał redukcyjny do zidentyfikowania materiału elektrody. Twój instruktor przydzieli Ci niewiadomą, którą będziesz testować.

Wybierz odpowiednią nieznaną elektrodę i użyj swojego 10-mililitrowego cylindra z podziałką, aby pobrać 8 ml nieznanego roztworu.
Wlej nieznany roztwór do jednej z nieużywanych studni. Oznacz studzienkę zawierającą nieznany roztwór i wlej roztwór siarczanu miedzi do sąsiedniej studzienki.
Usuń pasek przewodu (Pb) z połączenia multimetru i zastąp go swoim nieznanym paskiem.
Pozostaw miedzianą taśmę podłączoną. Umieść elektrody w odpowiednich dołkach, zginając je w razie potrzeby, aby utrzymać je na miejscu.
Odzyskaj kolejny most solny i umieść jeden koniec w każdej studzience, tak jak poprzednio, upewniając się, że nie dotyka on żadnej elektrody.

Włącz multimetr i zapisz odczyt napięcia.

Tabela 2: Nieznane ogniwa galwaniczne

Metal 1	Rozwiązanie 1	Metal 2	Rozwiązanie 2	ΔE zmierzone (wolty)	Eº miedziany (wolty)	Eº nieznany (wolty)	ΔEº warunki standardowe (wolty)	Temperatura K)	n	[Czerwony] (M)	[Ox] (M)
Cu	Miedź siarczan	Nieznany Numer katalogowy #1	Nieznany Numer katalogowy #1
Cu	Miedź siarczan	Nieznany #2	Nieznany #2

Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 2

Zmierz temperaturę nieznanej studni za pomocą szklanego termometru i zapisz wartość.
Po zakończeniu wyjmij elektrody ze studzienek i przepłucz je wodą. Osusz je ręcznikiem papierowym i odłóż na bok.
Wlej roztwory do pojemnika na odpady. Jeśli instruktor przydzielił Ci drugą niewiadomą, przeprowadź eksperyment ponownie dokładnie w ten sam sposób.

Tworzenie komórki koncentracjiRozwiń
W następnym eksperymencie skonstruujesz miedziane ogniwo koncentracyjne. Ogniwo koncentracyjne to ogniwo galwaniczne, w którym dwie elektrody są wykonane z tego samego materiału. Jedna półkomórka zawiera stężony roztwór, podczas gdy druga zawiera rozcieńczony roztwór. Gdy w rozcieńczonym ogniwie zachodzi utlenianie, jony z elektrody dostają się do roztworu, powodując jego większe stężenie.

Redukcja zachodzi w skoncentrowanym ogniwie, gdy jony metali są redukowane i powlekane na elektrodzie, obniżając w ten sposób stężenie roztworu. Dwie połówki reakcji napędzają różnicę napięcia między dwiema elektrodami, aż do osiągnięcia równowagi.

Zbudujesz ogniwo koncentracyjne przy użyciu elektrod miedzianych, stężonego siarczanu miedzi i rozcieńczonego szczawianu miedzi. Zmierzysz różnicę napięcia między dwoma ogniwami spowodowaną różnicą w stężeniu miedzi. Ponieważ szczawian miedzi jest tylko słabo rozpuszczalny, użyjesz pomiaru napięcia, aby określić rzeczywiste stężenie miedzi w roztworze szczawianu miedzi.
- Na początek zrób szczawian miedzi. Uzyskaj 0,1 M kwasu szczawiowego od swojego instruktora, a następnie oznacz zlewkę o pojemności 100 ml wzorem chemicznym szczawianu miedzi.
- Odmierz 50 ml kwasu szczawiowego i wlej go do zlewki. Za pomocą pipety miarowej odmierz 2 ml 0,05 M roztworu siarczanu miedzi i dozuj go do kwasu szczawiowego.
- Użyj szklanego pręta do mieszania, aby mieszać roztwór przez około 5 minut. Daje to reakcji wystarczająco dużo czasu na osiągnięcie równowagi.
- Teraz oznacz czystą zlewkę o pojemności 100 ml jako 'siarczan miedzi' i wlej do niej roztwór 0,05 M. Umieść zlewkę z siarczanem miedzi i zlewkę ze szczawianianem miedzi blisko siebie.
- Zdobądź 0,1 M azotanu potasu w oznaczonej zlewce o pojemności 100 ml i zanurz w niej wstępnie przycięty kawałek bibuły filtracyjnej, pozwalając mu moczyć się przez 20 sekund. Ta nasączona solą bibuła filtracyjna będzie działać jak most solny.
- Ustaw bibułę filtracyjną w poprzek zlewek tak, aby łączyła dwie półkomórki.
- Zmierz temperaturę roztworu w jednej ze zlewek i zapisz ją w swoim notatniku.
- Użyj papieru ściernego, aby wypolerować swoje dwa miedziane paski. Po wypolerowaniu spłucz je wodą z płucz.
- Podłącz miedziane paski do przewodów multimetru i umieść po jednej elektrodzie w każdej zlewce.
- Włącz multimetr i zmierz napięcie. Zapisz tę wartość w notesie laboratoryjnym.
  Tabela 3: Cela koncentracji miedzi
  
  ΔE mierzone (wolty)
  Temperatura (K)
  [Cu²⁺] (M)
  R (J/mol·K) 8.314
  F (C/mol) 96,485
  Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 3
- Gdy skończysz, wyjmij elektrody ze zlewki i wyrzuć bibułę filtracyjną. Odłącz elektrody i przepłucz je wodą dejonizowaną. Następnie osusz je ręcznikiem papierowym.
- Na koniec, wlej roztwory do swojej zlewki na odpady. Zneutralizuj płynne odpady sodą oczyszczoną, mieszając roztwór i dodając więcej sody oczyszczonej, aż roztwór przestanie bulgotać. Wlej zneutralizowaną ciecz do pojemnika na odpady z metali ciężkich dostarczonego przez instruktora.
- Opłucz wszystkie szklane naczynia wodą i zwróć cały sprzęt, w tym elektrody, swojemu instruktorowi.
WynikiRozwiń
- Najpierw określ połowiczne reakcje zachodzące na każdej elektrodzie. Ponieważ reakcje utleniania i redukcji w ogniwach galwanicznych są spontaniczne, reakcją o najwyższym potencjale redukcyjnym będzie reakcja redukcji. W przypadku ogniwa ołowiowo-miedzianego półreakcja miedzi ma wyższy potencjał redukcyjny; W ten sposób miedź jest redukowana w naszym ogniwie galwanicznym.
- Z kolei utlenianie zachodzi na elektrodzie ołowianej. Zatem połowa reakcji zachodząca na elektrodzie ołowianej jest reakcją utleniania. Utlenianie zawsze zachodzi na anodzie; Dlatego elektroda ołowiana jest anodą. Redukcja zawsze zachodzi na katodzie; Zatem elektroda miedziana jest katodą. Odczyt twojego multimetru powinien być równy różnicy napięcia między dwiema połowicznymi reakcjami, 0,463 wolta.
- Określ kierunek przepływu elektronów. Ponieważ elektrony zawsze przepływają z anody do katody, elektrony będą przepływać z elektrody ołowianej do elektrody miedzianej.
- Następnie, spójrz na swoje pierwsze nieznane ogniwo galwaniczne. Pamiętaj, że multimetr mierzył różnicę potencjałów między dwiema połówkami reakcji, która odpowiada zmierzonemu napięciu.
- Wiemy, że jedna elektroda jest miedziana. Tak więc, jeśli nasza różnica napięć wynosi 1,057 wolta, potencjał redukcyjny drugiej reakcji wynosi minus 0,720 wolta. Odpowiada to półreakcji. Dlatego nieznaną elektrodą jest, a nieznanym roztworem jest siarczan. Potencjał redukcyjny miedzi jest wyższy niż, więc ogniwo miedziane jest ogniwem redukcyjnym, a ogniwo cynkowe jest ogniwem utleniającym.
- Oblicz stężenie roztworu siarczanu za pomocą równania Nernsta. Równanie Nernsta wiąże zmierzone napięcie E z potencjałem redukcyjnym oczekiwanym w warunkach standardowych, E nic. R jest uniwersalną stałą gazową, T jest temperaturą, F jest stałą Faradaya, n jest liczbą elektronów przenoszonych w połowie reakcji, a Q_h jest ilorazem reakcji.
- Iloraz reakcji jest równy stężeniu utlenianej substancji chemicznej podzielonej przez stężenie redukowanej substancji. W przypadku naszego ogniwa galwanicznego siarczan miedzi jest redukowany, a siarczan utleniany. Ponieważ znamy stężenie siarczanu miedzi 0,05 M, możemy obliczyć stężenie ogniwa utleniającego, którym w naszym eksperymencie był siarczan.
- Na koniec, spójrz na komórkę koncentracji miedzi. Tutaj stworzyliśmy ogniwo galwaniczne, którego półogniwo zawiera rozcieńczony szczawian miedzi, a drugie zawiera siarczan miedzi. Ponieważ stężenie miedzi w rozcieńczonym półogniwie zmienia się wraz z postępem eksperymentu, możemy obliczyć stężenie rozpuszczonych jonów miedzi za pomocą równania Nernsta.
- Dwie elektrody są takie same w komórce koncentracyjnej, więc standardowy potencjał elektrody wynosi 0. Różnica potencjałów to napięcie, które zmierzyliśmy, a wynika to z różnicy w stężeniu miedzi między dwoma ogniwami. Po wprowadzeniu znanych wartości możemy następnie obliczyć stężenie jonu miedzi w rozcieńczonym ogniwie. Tutaj stężenie jonów miedzi wynosiło 7,9 x ^10-7 M.