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.

Galvanik Hücreler

Kavramlar Eğitmen Hazırlığı Öğrenci Protokolü

0 görüntüleme03:31 dk

Elektrokimyasal reaksiyon, elektronların iki madde arasında transfer edildiği, birinin elektron kaybettiği ve diğerinin elektron kazandığı bir süreçtir. Bir madde elektron kaybettiğinde oksidasyona uğradığını veya oksitlendiğini söylüyoruz. Elektron kazandığında, indirgenmiş veya indirgenmiş olduğunu söylüyoruz. İkisi arasında ayrım yapmanıza yardımcı olması için, oksidasyon kaybediyor, indirgeme kazanıyor anlamına gelen 'petrol platformu' ifadesini hatırlayın. Bazı elektrokimyasal reaksiyonlar kendiliğinden meydana gelir, bu da galvanik bir hücrede inceleyebiliriz.

Galvanik hücrenin dört ana bölümü vardır. İlk olarak, her biri farklı bir elektrolit çözeltisine daldırılmış iki metal elektrot vardır. Çözeltiler, her elektrotta meydana gelen oksidasyon veya indirgeme reaksiyonu gibi yarı reaksiyonlar için gerekli iyonlardan oluşur. Çözeltiler, iyonların akışını sağlayan ve çözeltilerin yük nötrlüğünü koruyan bir tuz köprüsü ile bağlanır. Elektrotlar, elektronların reaksiyon sırasında içinden geçtiği harici bir devre ile bağlanır.

Anot, reaksiyonda elektron veren veya oksitlenen elektrottur. Katot, elektron kazanan ve indirgenen elektrottur. Bu iki etiketi ayırt etmenize yardımcı olması için, katotta redüksiyon meydana geldiği için 'kırmızı kedi' ifadesini hatırlayın.

Peki hangi metalin anot, hangisinin katot görevi gördüğünü nasıl bilebiliriz? Metalin elektron kaybetme eğiliminin bir ölçüsü olan metalin standart elektrot potansiyelini kullanabiliriz. Daha negatif bir elektrot potansiyeli, metalin elektron kaybetme eğiliminin daha yüksek olduğu anlamına gelir. Elektronlar her zaman daha düşük standart potansiyele sahip metalden daha büyük standart potansiyele sahip metale akar.

Galvanik bir hücrede, elektronlar anottan katoda akar, bu nedenle anot daha düşük standart potansiyele sahip metaldir ve katot, daha yüksek standart potansiyele sahip metaldir. Elektronlar iki elektrot arasında hareket ederken, bir elektrik potansiyeli ölçülür. Üretilen voltajın büyüklüğü, katodun standart potansiyeli eksi anotun standart potansiyeline eşittir.

Bu nedenle, galvanik hücrede örneğin kurşun ve kalay gibi benzer standart elektrot potansiyellerine sahip iki metal kullanılırsa, üretilen voltajın büyüklüğü düşük olacaktır. Metaller, gümüş ve magnezyum gibi farklı standart potansiyellere sahipse, üretilen voltaj yüksek olacaktır.

Bu laboratuvarda, iki metal elektrot kullanarak bir galvanik hücre oluşturacak ve oksidasyon ve indirgeme reaksiyonları meydana geldikçe üretilen potansiyeli ölçeceksiniz. Daha sonra bilinen standart potansiyelleri kullanarak bilinmeyen metal elektrotları tanımlayacak ve üretilen voltajın büyüklüğünü belirleyeceksiniz.

Print Procedure Steps

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kaynak: Smaa Koraym, Johns Hopkins Üniversitesi, MD, ABD

Kurşun-Bakır Galvanik Hücre Oluşturma
Bu deneyde, bir kurşun-bakır galvanik hücre inşa edecek ve ardından anot ve katotta meydana gelen redoks reaksiyonları sırasında üretilen voltajı ölçeceksiniz.
- Başlamak için laboratuvar önlüğü, eldiven ve kimyasal sıçrama gözlüğü dahil olmak üzere gerekli kişisel koruyucu ekipmanı giyin.
- 100 mL 0.05 M bakır sülfat çözeltisi hazırlayın. İlk olarak, bakır sülfat pentahidratın molar kütlesini kullanarak tartmanız gereken bakır sülfat miktarını hesaplayın.
- Hesapladığınız miktarı ölçün ve 100 mL'lik hacimsel bir şişeye aktarın.
- 50 mL deiyonize su ölçün, suyu şişeye dökün ve şişeyi parafin filmle kapatın. Bakır sülfat eriyene kadar şişeyi gerektiği kadar döndürün.
- 50 mL daha deiyonize su ölçün ve su 100 mL ölçüm çizgisine ulaşana kadar şişeyi doldurun. Şişeyi parafin filmle örtün ve çözelti homojen görünene kadar şişeyi ters çevirin ve döndürün. Şişeyi, oluşturulan tam bakır sülfat konsantrasyonu ile etiketleyin.
- 20 mL'lik bir 0.05 M kurşun nitrat çözeltisi hazırlayın. İhtiyacınız olan kurşun nitrat miktarını hesaplayın, ardından tartın ve 20 mL'lik hacimsel bir şişeye ekleyin.
- 10 mL deiyonize suyu ölçün ve kurşun nitrata ekleyin. Şişeyi kapatın ve kurşun nitrat tamamen eriyene kadar çözeltiyi karıştırın.
- 10 mL daha su ölçün ve çözeltinin seviyesi doldurma çizgisine ulaşana kadar şişeye aktarın. Şişeyi kapatın ve çözeltiyi iyice karıştırın. Çözeltiyi hazırlanan tam konsantrasyonla etiketleyin.
- Şimdi, galvanik hücreyi ayarlayın. İlk olarak, iki parça bakır levha, bir kurşun şerit ve bir parça zımpara kağıdı alın.
- 6 oyuklu reaksiyon plakanızı alın ve bakır sülfat çözeltisinin bir kısmını 3/4 oranında doldurarak bir kuyuya dökün. Bitişik bir kuyuyu kurşun nitrat çözeltisi ile doldurun. İki kuyuyu etiketlediğinizden emin olun.
- 600 mL'lik beherinizi 'atık' olarak etiketleyin.
- Bakır ve kurşun şeritleri parlatmak için zımpara kağıdı kullanın. Parlatma işleminden sonra her şeridi deiyonize su ile durulayın.
- Multimetrenizi alın ve kırmızı ve siyah uçları uygun artı ve eksi bağlantılara bağlayın. Bakır şeridi bir kabloya ve uç (Pb) şeridi diğer uca bağlamak için timsah klipsleri kullanın.
- Bakır şeridi bakır sülfat çözeltisinin içine yerleştirin ve kurşun (Pb) şeridi kurşun nitrat çözeltisinin içine yerleştirin. Her iki elektrotu da, elektrotun yarısı çözelti içinde olacak şekilde ayarlayın ve gerekirse yerinde tutmak için bükün.
- Potasyum nitrat çözeltisine batırılmış bir ip elde edin.
- İpin bir ucunu bakır sülfata, diğer ucunu da kurşun nitrata yerleştirmek için forseps kullanın ve her iki elektrotla da temas etmediğinden emin olun. Bu tuz köprüsü görevi görecektir.
- Multimetrenizi voltaj ayarına getirin ve okumayı kontrol edin. Negatifse, elektrotlara bağlı uçları ters çevirmeniz gerekir. Voltaj okumasını laboratuvar not defterinize kaydedin.
  Tablo 1: Kurşun-bakır Galvanik Hücre
  
  ΔE ölçülen (volt)
  anot
  katot
  Tablo 1'i indirmek için buraya tıklayın
- Kuyucuklardan birinin sıcaklığını ölçmek için bir cam termometre kullanın ve bunu laboratuvar defterinize kaydedin.
- İşiniz bittiğinde, elektrotları kuyulardan çıkarın, çözeltileri atık kabına dökün ve tuz köprüsünü çöp kutusuna atın. Bakır ve kurşun şeritleri deiyonize su ile durulayın ve bir kağıt havluyla kurulayın.

Bilinmeyen Elektrotlu Galvanik Hücre

Deneyin bu bölümünde, bilinmeyen bir elektrot ve buna karşılık gelen çözelti ile bir galvanik hücre inşa edeceksiniz. Daha sonra elektrot malzemesini tanımlamak için indirgeme potansiyelini kullanacaksınız. Eğitmeniniz size test edeceğiniz bilinmeyeni atayacaktır.

İlgili bilinmeyen elektrodu seçin ve bilinmeyen çözeltinin 8 mL'sini almak için 10 mL dereceli silindirinizi kullanın.
Bilinmeyen çözeltiyi kullanılmayan kuyulardan birine dökün. Bilinmeyen çözeltiyi içeren kuyuyu etiketleyin ve bakır sülfat çözeltinizi bitişikteki kuyuya dökün.
Kurşun (Pb) şeridi multimetre bağlantısından çıkarın ve bilinmeyen şeridinizle değiştirin.
Bakır şeridi bağlı bırakın. Elektrotları karşılık gelen kuyucuklarına yerleştirin, gerekirse yerinde tutmak için bükün.
Başka bir tuz köprüsü alın ve daha önce olduğu gibi her bir oyuğa bir ucunu yerleştirin, her iki elektroda da değmediğinden emin olun.

Multimetreyi açın ve voltaj okumasını kaydedin.

Tablo 2: Bilinmeyen galvanik hücreler

Metal 1	Çözüm 1	Metal 2	Çözüm 2	ΔE measured (volt)	Eº copper (volt)	Eº unknown (volt)	ΔEº standard conditions (volt)	Temperature (K)	n	[Kırmızı] (M)	[Ox] (M)
Cu	Copper Sülfat	Bilinmeyen # 1	Bilinmeyen # 1
Cu	Copper Sülfat	Bilinmeyen #2	Bilinmeyen #2

Tablo 2'yi indirmek için buraya tıklayın

Cam termometreyi kullanarak bilinmeyen kuyunun sıcaklığını ölçün ve değeri kaydedin.
Bittiğinde, elektrotları kuyulardan çıkarın ve suyla durulayın. Onları bir kağıt havluyla kurulayın ve bir kenara koyun.
Solüsyonları atık kabına dökün. Eğitmen size bilinmeyen ikinci bir şey atadıysa, deneyi tam olarak aynı şekilde yeniden gerçekleştirin.

Konsantrasyon Hücresi Oluşturma
Bir sonraki deneyde, bir bakır konsantrasyon hücresi inşa edeceksiniz. Bir konsantrasyon hücresi, iki elektrotun aynı malzeme olduğu galvanik bir hücredir. Bir yarım hücre konsantre bir çözelti içerirken, diğeri seyreltik bir çözelti içerir. Seyreltik hücrede oksidasyon meydana geldiğinde, elektrottan gelen iyonlar çözeltiye girerek onu daha konsantre hale getirir.

Metal iyonları indirgenip elektrot üzerine kaplandıkça konsantre hücrede indirgeme meydana gelir, böylece çözeltinin konsantrasyonu düşer. İki yarı reaksiyon, dengeye ulaşılana kadar iki elektrot arasında bir voltaj farkı oluşturur.

Bakır elektrotlar, konsantre bakır sülfat ve seyreltik bakır oksalat kullanarak bir konsantrasyon hücresi oluşturacaksınız. Bakır konsantrasyonundaki farkın neden olduğu iki hücre arasındaki voltaj farkını ölçeceksiniz. Bakır oksalat çok az çözünür olduğundan, daha sonra bakır oksalat çözeltisindeki gerçek bakır konsantrasyonunu belirlemek için voltaj ölçümünü kullanacaksınız.
- Başlamak için bakır oksalat yapın. Eğitmeninizden 0.1 M oksalik asit alın, ardından 100 mL'lik bir beheri bakır oksalat için kimyasal formülle etiketleyin.
- 50 mL oksalik asit ölçün ve kabın içine dökün. 0,05 M bakır sülfat çözeltisinin 2 mL'sini ölçmek için hacimsel pipeti kullanın ve oksalik aside dağıtın.
- Çözeltiyi yaklaşık 5 dakika karıştırmak için bir cam karıştırma çubuğu kullanın. Bu, reaksiyona dengeye ulaşması için yeterli zaman verir.
- Şimdi, temiz bir 100 mL'lik beheri 'bakır sülfat' olarak etiketleyin ve 0,05 M'lik çözeltiyi içine dökün. Bakır sülfat kabını ve bakır oksalat kabını birbirine yakın yerleştirin.
- Etiketli 100 mL'lik bir beherde 0,1 M potasyum nitrat elde edin ve önceden kesilmiş bir filtre kağıdı parçasını içine daldırın ve 20 saniye bekletin. Bu tuza batırılmış filtre kağıdı, bir tuz köprüsü görevi görecektir.
- Filtre kağıdını, iki yarım hücreyi birbirine bağlayacak şekilde beherlerin üzerine yerleştirin.
- Beherlerden birinde çözeltinin sıcaklığını ölçün ve not defterinize kaydedin.
- İki bakır şeridinizi parlatmak için zımpara kağıdını kullanın. Parlatma işleminden sonra her ikisini de suyla durulayın.
- Bakır şeritleri multimetrenin uçlarına bağlayın ve her behere bir elektrot yerleştirin.
- Multimetreyi açın ve voltajı ölçün. Bu değeri laboratuvar not defterinize kaydedin.
  Tablo 3: Bakır konsantrasyon hücresi
  
  ΔE ölçülen (volt)
  Sıcaklık (K)
  [Cu²⁺] (M)
  R (J/mol·K) 8.314
  F (C/mol) 96.485
  Tablo 3'ü indirmek için buraya tıklayın
- İşiniz bittiğinde, elektrotları beherden çıkarın ve filtre kağıdını atın. Elektrotları ayırın ve deiyonize su ile durulayın. Daha sonra bir kağıt havluyla kurulayın.
- Son olarak, çözeltileri atık kabınıza dökün. Sıvı atığı kabartma tozu ile nötralize edin, çözeltiyi döndürün ve çözeltinin köpürmesi durana kadar daha fazla kabartma tozu ekleyin. Nötralize edilmiş sıvıyı eğitmeniniz tarafından sağlanan ağır metal atık kabına dökün.
- Tüm cam malzemeleri suyla durulayın ve elektrotlar da dahil olmak üzere tüm ekipmanı eğitmeninize geri verin.
Results
- İlk olarak, her elektrotta meydana gelen yarı reaksiyonları belirleyin. Galvanik hücrelerde oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonları kendiliğinden olduğu için indirgeme potansiyeli en yüksek olan reaksiyon redüksiyon reaksiyonu olacaktır. Kurşun-bakır hücre durumunda, bakır yarı reaksiyonu daha yüksek indirgeme potansiyeline sahiptir; Böylece galvanik hücremizde bakır indirgenir.
- Buna karşılık, kurşun elektrotta oksidasyon meydana gelir. Bu nedenle, kurşun elektrotta meydana gelen yarı reaksiyon bir oksidasyon reaksiyonudur. Oksidasyon her zaman anotta meydana gelir; Bu nedenle, kurşun elektrot anottur. İndirgeme her zaman katotta meydana gelir; Bu nedenle, bakır elektrot katottur. Multimetre okumanız, iki yarı reaksiyon arasındaki voltaj farkına, 0.463 volta eşit olmalıdır.
- Elektron akışının yönünü belirleyin. Elektronlar her zaman anottan katoda aktığından, elektronlar kurşun elektrottan bakır elektrota akacaktır.
- Ardından, ilk bilinmeyen galvanik hücrenize bakın. Multimetrenin, ölçtüğünüz voltaja karşılık gelen iki yarı reaksiyon arasındaki potansiyel farkını ölçtüğünü unutmayın.
- Bir elektrotun bakır olduğunu biliyoruz. Yani voltaj farkımız 1.057 volt ise diğer reaksiyonun indirgeme potansiyeli negatif 0.720 volttur. Bu, çinko yarı reaksiyonuna karşılık gelir. Bu nedenle, bilinmeyen elektrot çinkodur ve bilinmeyen çözelti çinko sülfattır. Bakırın indirgeme potansiyeli çinkodan daha yüksektir, bu nedenle bakır hücre indirgeme hücresidir ve çinko hücresi oksidasyon hücresidir.
- Nernst denklemini kullanarak çinko sülfat çözeltisinin konsantrasyonunu hesaplayın. Nernst denklemi, ölçülen voltajı, E, standart koşullarda beklenen indirgeme potansiyeli ile ilişkilendirir, E boş. R evrensel gaz sabitidir, T sıcaklıktır, F Faraday sabitidir, n yarı reaksiyonda aktarılan elektron sayısıdır ve Q_h reaksiyon katsayısıdır.
- Reaksiyon katsayısı, oksitlenen kimyasal türlerin konsantrasyonunun, indirgenen türlerin konsantrasyonuna bölünmesine eşittir. Galvanik hücremiz için bakır sülfat indirgenir ve çinko sülfat oksitlenir. Bakır sülfat konsantrasyonunu, 0.05 M bildiğimizden, deneyimizdeki çinko sülfat olan oksidasyon hücresinin konsantrasyonunu hesaplayabiliriz.
- Son olarak, bakır konsantrasyon hücresine bakın. Burada, seyreltik bakır oksalat içeren yarı hücreli ve diğeri bakır sülfat içeren bir galvanik hücre oluşturduk. Seyreltik yarı hücredeki bakır konsantrasyonu deney ilerledikçe değiştiğinden, Nernst denklemini kullanarak çözünmüş bakır iyonlarının konsantrasyonunu hesaplayabiliriz.
- Bir konsantrasyon hücresinde iki elektrot aynıdır, bu nedenle standart elektrot potansiyeli 0'dır. Potansiyel fark, ölçtüğümüz voltajdır ve iki hücre arasındaki bakır konsantrasyonundaki farktan kaynaklanmaktadır. Bilinen değerleri taktıktan sonra, seyreltik hücredeki bakır iyonunun konsantrasyonunu çözebiliriz. Burada, bakır iyonlarının konsantrasyonu 7.9 x 10 idi^.-7 M.