Гальванические элементы

Источник: Смаа Корайм из Университета Джонса Хопкинса, доктор медицины, США

1. Создание свинцово-медного гальванического элемента<кнопка class="expand">Expand

   В этом эксперименте вы построите свинцово-медный гальванический элемент, а затем измерите напряжение, которое генерируется во время окислительно-восстановительных реакций, происходящих на аноде и катоде.

   • Для начала, наденьте необходимые средства индивидуальной защиты, включая лабораторный халат, перчатки и защитные очки от химических веществ.
   • Приготовьте 100 мл 0,05 М раствора сульфата меди. Во-первых, рассчитайте количество медного купороса, которое вам нужно будет взвесить, используя молярную массу пентагидрата медного купороса.
   • Измерьте количество, которое вы рассчитали, и перенесите его в мерную колбу объемом 100 мл.
   • Отмерьте 50 мл деионизированной воды, налейте воду в колбу и запечатайте колбу парафиновой пленкой. Поворачивайте колбу столько раз, сколько нужно, пока медный купорос не растворится.
   • Отмерьте еще 50 мл деионизированной воды и наполняйте колбу, пока вода не достигнет измерительной линии 100 мл. Накройте колбу парафиновой пленкой и переверните и поворачивайте колбу до тех пор, пока раствор не станет однородным. Пометьте колбу точной концентрацией созданного медного купороса.
   • Приготовьте 20-мл раствора 0,05 М нитрата свинца. Рассчитайте необходимое вам количество нитрата свинца, затем взвесьте его и добавьте в мерную колбу объемом 20 мл.
   • Отмерьте 10 мл деионизированной воды и добавьте ее к нитрату свинца. Закупорьте колбу и перемешайте раствор до полного растворения нитрата свинца.
   • Отмерьте еще 10 мл воды и перелейте ее в колбу, пока уровень раствора не достигнет линии заполнения. Закупорьте колбу и тщательно перемешайте раствор. Маркируйте раствор точной концентрацией приготовленной концентрации.
   • Теперь настройте гальваническую ячейку. Сначала достаньте два куска медного листа, свинцовую полосу и кусок наждачной бумаги.
   • Возьмите свою 6-луночную реакционную пластину и налейте немного раствора сульфата меди в одну лунку, заполнив ее на 3/4. Заполните соседнюю лунку раствором нитрата свинца. Обязательно промаркируйте две лунки.
   • Пометьте свой стакан объемом 600 мл как "отходы".
   • Используйте наждачную бумагу для полировки медных и свинцовых полосок. После полировки промойте каждую полоску деионизированной водой.
   • Возьмите свой мультиметр и соедините красные и черные провода с соответствующими плюсовыми и минусовыми соединениями. С помощью зажимов типа «крокодил» подсоедините медную полосу к одному проводу, а ленту провода (Pb) — к другому проводу.
   • Поместите медную полоску внутрь раствора сульфата меди и поместите полоску свинца (Pb) внутрь раствора нитрата свинца. Отрегулируйте оба электрода так, чтобы половина электрода находилась в растворе, при необходимости согните их, чтобы удержать на месте.
   • Получите строку, которая была замочена в растворе нитрата калия.
   • Используйте щипцы, чтобы поместить один конец нити в сульфат меди, а другой конец в нитрат свинца, следя за тем, чтобы он не соприкасался ни с одним из электродов. Это будет выступать в качестве соляного моста.
   • Включите мультиметр на настройку напряжения и проверьте показания. Если он отрицательный, нужно перевернуть провода, прикрепленные к электродам. Запишите показания напряжения в лабораторный блокнот.

     Таблица 1: Свинцово-медный гальванический элемент

     Измеренное ΔE (вольт)
     анод
     катод

     Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 1
   • Используй стеклянный термометр, чтобы измерить температуру одного из колодцев и записать это в свой лабораторный блокнот.
   • Когда закончите, выньте электроды из колодцев, вылейте растворы в стакан для отходов, а солевой мостик выбросьте в мусор. Промойте медные и свинцовые полоски деионизированной водой, а затем высушите бумажным полотенцем.
2. Гальваническая ячейка с неизвестными электродами<кнопка class="развернуть">Развернуть

   В этой части эксперимента вы создадите гальванический элемент с неизвестным электродом и его соответствующим раствором. Затем вы будете использовать восстановительный потенциал для определения материала электрода. Ваш инструктор назначит вам неизвестное, что вы будете тестировать.

   • Выберите соответствующий неизвестный электрод и используйте свой градуированный цилиндр объемом 10 мл для извлечения 8 мл неизвестного раствора.
   • Вылейте неизвестный раствор в одну из неиспользуемых скважин. Пометьте лунку, содержащую неизвестный раствор, и налейте раствор медного купороса в соседнюю лунку.
   • Снимите проводную (Pb) полосу с подключения мультиметра и замените ее на вашу неизвестную полосу.
   • Оставьте медную полосу подключенной. Поместите электроды в соответствующие лунки, при необходимости согнув их, чтобы удержать на месте.
   • Достаньте еще один солевой мостик и вставьте по одному концу в каждую лунку, как раньше, убедившись, что он не касается ни одного из электродов.
   • Включите мультиметр и запишите показания напряжения.

     Таблица 2: Неизвестные гальванические элементы

     <таблица align="center" height="167" style="border-collapse: collapse; font-size: 9px; line-height: 24px;" width="650"> Metal 1 Solution 1 Metal 2 Solution 2 ΔE measured
     (вольт) Eº copper
     (вольт) Eº unknown
     (вольт) ΔEº стандартные условия
     (вольт) Temperature
     (К) n [Red]
     (М) [Ox]
     (М) Cu Copper
     сульфат Unknown
     #1 Unknown
     #1 Cu Copper
     сульфат Unknown
     #2 Unknown
     #2 Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 2
   • Измерьте температуру неизвестного колодца с помощью стеклянного термометра и запишите значение.
   • Когда закончите, выньте электроды из колодцев и промойте их водой. Высушите их бумажным полотенцем и отложите в сторону.
   • Вылейте растворы в контейнер для отходов. Если инструктор назначил вам второе неизвестное, проведите эксперимент еще раз точно таким же образом.
3. Создание ячейки концентрации<кнопка class="expand">Expand

   В следующем эксперименте вы создадите ячейку для концентрации меди. Концентрационная ячейка — это гальваническая ячейка, в которой два электрода изготовлены из одного и того же материала. Одна полуклетка содержит концентрированный раствор, а другая – разбавленный раствор. Поскольку в разбавленной ячейке происходит окисление, ионы из электрода попадают в раствор, делая его более концентрированным.

   Восстановление происходит в концентрированной ячейке по мере того, как ионы металлов восстанавливаются и наносятся на электрод, тем самым снижая концентрацию раствора. Две полуреакции приводят к разнице напряжений между двумя электродами до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

   Вы создадите концентрационную ячейку с использованием медных электродов, концентрированного сульфата меди и разбавленного оксалата меди. Вы измерите разницу напряжений между двумя элементами, вызванную разницей в концентрации меди. Поскольку оксалат меди лишь слабо растворяется, вы затем будете использовать измерение напряжения для определения истинной концентрации меди в растворе оксалата меди.

   • Для начала, сделайте оксалат меди. Получите 0,1 М щавелевой кислоты у инструктора, затем пометьте стакан объемом 100 мл химической формулой оксалата меди.
   • Отмерьте 50 мл щавелевой кислоты и налейте ее в стакан. С помощью объемной пипетки отмерьте 2 мл 0,05 М раствора медного купороса и диспонируйте его в щавелевой кислоте.
   • Используйте стеклянный стержень для перемешивания раствора в течение примерно 5 минут. Это дает реакции достаточно времени для достижения равновесия.
   • Теперь пометьте чистый стакан объемом 100 мл как "сульфат меди" и налейте в него раствор 0,05 мл. Поместите стакан из сульфата меди и стакан для оксалата меди близко друг к другу.
   • Получите 0,1 М нитрата калия в стакане с маркировкой объемом 100 мл и погрузите в него предварительно вырезанный кусок фильтровальной бумаги, дав ему впитаться в течение 20 секунд. Эта пропитанная солью фильтровальная бумага будет действовать как солевой мост.
   • Положите фильтровальную бумагу на стаканы так, чтобы она соединяла две полуячейки.
   • Измерьте температуру раствора в одном из стаканов и запишите это в свой блокнот.
   • Используй наждачную бумагу для полировки двух медных полосок. Промойте их оба водой после полировки.
   • Подключите медные полоски к выводам мультиметра и поместите по одному электроду в каждый стакан.
   • Включите мультиметр и измерьте напряжение. Запишите это значение в лабораторную записную книжку.

     Таблица 3: Ячейка для концентрации меди

     Измеренное ΔE (вольт)
     Температура (К)
     [Cu²+] (м)
     R (Дж/моль·K)	8.314
     F (C/моль)	96,485

     Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 3
   • Когда закончишь, извлеки электроды из стакана и выбрось фильтровальную бумагу. Отсоедините электроды и промойте их деионизированной водой. Затем высушите их бумажным полотенцем.
   • Наконец, вылейте растворы в стакан для отходов. Обезвредьте жидкие отходы пищевой содой, взбалтывая раствор и добавляя еще пищевой соды до тех пор, пока раствор не перестанет пузыриться. Вылейте нейтрализованную жидкость в контейнер для отходов из тяжелых металлов, предоставленный вашим инструктором.
   • Промойте всю стеклянную посуду водой и верните все оборудование, включая электроды, своему инструктору.
4. Результаты<кнопка class="развернуть">Развернуть
   • Сначала определите полуреакции, происходящие на каждом электроде. Поскольку реакции окисления и восстановления в гальванических элементах являются спонтанными, реакция с наибольшим восстановительным потенциалом будет реакцией восстановления. В случае свинцово-медного элемента медная полуреакция имеет более высокий восстановительный потенциал; Таким образом, в нашем гальваническом элементе восстанавливается медь.
   • В свою очередь, на ведущем электроде происходит окисление. Таким образом, полуреакция, происходящая на ведущем электроде, является реакцией окисления. Окисление всегда происходит в аноде; Таким образом, ведущим электродом является анод. Редукция всегда происходит на катоде; Таким образом, медный электрод является катодом. Показания мультиметра должны быть равны разнице напряжений между двумя полуреакциями, 0,463 вольта.
   • Определите направление потока электронов. Поскольку электроны всегда перетекают от анода к катоду, электроны будут течь от ведущего электрода к медному.
   • Далее, посмотри на свой первый неизвестный гальванический элемент. Помните, что мультиметр измерял разность потенциалов между двумя полуреакциями, которая соответствует измеренному вами напряжению.
   • Мы знаем, что один электрод медный. Таким образом, если наша разность напряжений равна 1,057 вольт, то восстановительный потенциал другой реакции равен отрицательным 0,720 вольта. Это соответствует полуреакции цинка. Таким образом, неизвестный электрод — это цинк, а неизвестный раствор — сульфат цинка. Восстановительный потенциал меди выше, чем у цинка, поэтому медный элемент является восстановительным элементом, а цинковый элемент — окислительным элементом.
   • Рассчитайте концентрацию раствора сульфата цинка, используя уравнение Нернста. Уравнение Нернста связывает измеренное напряжение E с потенциалом восстановления, ожидаемым при стандартных условиях, E nought. R — универсальная газовая постоянная, T — температура, F — постоянная Фарадея, n — количество электронов, перенесенных в полуреакции, и Q_h — коэффициент реакции.
   • Коэффициент реакции равен концентрации окисляемого химического вещества, деленной на концентрацию восстанавливаемого вещества. В нашем гальваническом элементе сульфат меди восстанавливается, а сульфат цинка окисляется. Поскольку нам известна концентрация медного купороса 0,05 М, мы можем рассчитать концентрацию ячейки окисления, в которой в нашем эксперименте был сульфат цинка.
   • Наконец, взглянем на ячейку для концентрации меди. Здесь мы создали гальваническую ячейку, полуячейка которой содержит разбавленный оксалат меди, а другая — сульфат меди. Поскольку концентрация меди в разбавленном полуэлементе изменяется по ходу эксперимента, мы можем рассчитать концентрацию растворенных ионов меди с помощью уравнения Нернста.
   • Два электрода одинаковы в концентрационной ячейке, поэтому стандартный электродный потенциал равен 0. Разность потенциалов — это напряжение, которое мы измерили, и оно связано с разницей в концентрации меди между двумя элементами. После ввода известных значений мы можем рассчитать концентрацию иона меди в разбавленном элементе. Здесь концентрация ионов меди составила 7,9 х ^10-7 М.