GRUPA	ZESPÓŁ	ĆWICZENIE		DATA	OCENA
33	1	8		12.12.2000
IMIĘ I NAZWISKO			TEMAT	ĆWICZENIA
Edyta Błaż Maria Borzęcka Anna Gołębiowska Joanna Jarosz			Pomiar siły elektromotorycznej ogniw i potencjałów półogniw

1. WSTĘP TEORETYCZNY:

Elektrodą (półogniwem) w elektrochemii nazywa się układ złożony z dwóch faz przewodzących, z których przynajmniej jedną jest elektrolit. Elektrodę stanowi najczęściej faza metaliczna, granicząca z elektrolitem. Fazy te graniczą ze sobą w ten sposób, że możliwy jest przepływ jonów lub elektronów przez powierzchnie między fazowe. Każdy metal w zetknięciu z roztworem elektrolitu wykazuje dążność do przechodzenia do roztworu w postaci jonowej. Elektrodę na której zachodzi proces utleniania nazywa się anodą, zaś tę na której zachodzi proces redukcji- katodą

Wartość potencjału elektrody zależy od właściwości metalu, stężenia kationu(aktywności) i temperatury.

Zależność potencjału elektrody od aktywności jonu metalu w roztworze, liczby elektronów biorących udział w reakcji i temperatury przedstawia równanie Nernsta:

E = E⁰ + (RT/nF) ln a_M/a_M

Gdzie: E⁰ - normalny potencjał elektrody

R - stała gazowa

T - temperatura bezwzględna

F - stała Faradaya

n - liczba elektronów biorących udział w reakcji

a_M - aktywność jonów metalu

Ogniwa galwaniczne zbudowane są z dwóch elektrod współpracujących z roztworem elektrolitu. Elektrolit może być wspólny, ale częściej występują dwa elektrolity, dla każdej elektrody inny i wówczas kontakt między roztworami elektrolitu realizowany jest przez klucz elektrolityczny. Zachodzi tu proces przemiany energii chemicznej w energię elektryczną, możliwą do zmierzenia i praktycznego wykorzystania.

Siła elektromotoryczna ogniwa równa jest różnicy między potencjałem przewodnika przyłączonego do elektrody prawej a potencjałem przewodnika z tego samego materiału dołączonego do elektrody lewej. W ogniwie występuje bezpośredni związek między siłą elektromotoryczną ogniwa i zmianą swobodnej energii Gibbsa dla samożutnych reakcji w ogniwie:

∆G = - nEF

Ogniwa stężeniowe określa się jako ogniwa galwaniczne, w których praca elektryczna powstaje w skutek wyrównania się stężeń elektrolitu. Ogniwo stężeniowe składa się z dwóch takich samych elektrod zanurzonych w roztworach o różnych stężeniach. Schemat takiego ogniwa jest następujący:

Me (c₁) ‌ roztwór MeR ‌ Me (c₂)

І ІІ

Jeżeli c1< c2, to elektroda І jest elektrodą ujemną. Elektroda ІІ jest w tym ogniwie elektrodą dodatnią.

Siła elektromotoryczna ogniwa stężeniowego zależy tylko od stosunku aktywności katonów w obu roztworach. Nie zależy ona natomiast od potencjału normalnego metalu, z którego sporządzono elektrody.

2. CEL ĆWICZENIA:

- pomiar potencjałów określonych półogniw

- wyznaczenie SEM ogniwa z pomiarów potencjałów półogniw

- wyznaczenie zmiany potencjału termodynamicznego ∆G reakcji zachodzących w ogniwie

- pomiar siły elektromotorycznej określonego ogniwa

- wyznaczenie zmiany potencjału termodynamicznego ∆G reakcji zachodzących w ogniwie

3. APARATURA I MATERIAŁY:

- woltomierz cyfrowy, termostat, kable z końcówkami, elektrody Cd i Fe, elektroda chlorosrebrowa, klucz elektrolityczny, szkło laboratoryjne.

4. ODCZYNNIKI:

- azotan kadmu

- azotan żelaza

- chlorek potasu

5. WYKONANIE ĆWICZENIA:

Pomiar SEM dokonujemy za pomocą:

Lp.	Półogniwo 1 Cd / Cd(NO3)2	Półogniwo 2 Fe / Fe(NO3)3	Temperatura
		Stężenie elektrolitu	Stężenie elektrolitu	[^0C]
1.	0,2n= 0,1[mol/dm^3]	0,2n=0,067[mol/dm^3]	20;25

a) pomiar potencjałów półogniw

- przygotowujemy w małych zlewkach r-ry elektrolitów

- nastawiamy termostat na żądaną temperaturę

- zlewkę z roztworem elektrolitu umieszczamy w termostacie

- po osiągnięciu przez elektrolit zadanej temperatury wkładamy do zlewki elektrodę metalową oraz elektrodę chlorosrebrową

- łączymy elektrody z woltomierzem cyfrowym

- mierzymy różnicę potencjałów między zadanym półogniwem a elektrodą chlorosrebrową w danej temperaturze

Wyniki pomiarów:

- dla półogniwa Fe/Fe(NO₃)₃

Lp.	T[^0C]	E^0 CL^-/AgCl, Ag/Fe/Fe(NO3)3	V^0 Cl^-/ AgCl, Ag [V]	V^0 Fe/ Fe(NO3)3
1	20	-0,2157	+0,1979	-0,4136
2	25	-0,2041	+0,1937	-0,3978

Schemat reakcji:

Katoda: Fe³⁺ + 3e = Fe

Anoda: Ag + Cl^- = AgCl + e /٠3

Fe³⁺ + 3Ag + 3CL^- = 3AgCl + Fe

Obliczenie V⁰ Fe/ Fe(NO₃)₃ dla T = 20⁰C

E⁰ = V⁰ Fe³⁺/Fe + V⁰ Cl^- / AgCl, Ag

V⁰ Fe³⁺/ Fe = E⁰ - V⁰ Cl^- / AgCL, Ag= -0,4136

Obliczenie V⁰ Fe/ Fe(NO₃)₃ dla T = 25⁰C

E⁰ = V⁰ Fe³⁺/Fe + V⁰ Cl^- / AgCl, Ag

V⁰ Fe³⁺/ Fe = E⁰ - V⁰ Cl^- / AgCL, Ag= -0,3978

- dla półogniwa Cd/ Cd(NO₃)₃:

Lp.	T[^0C]	E^0 Cl^- / AgCL, Ag/ Cd/Cd(NO3)3	V^0 Cl^- / AgCl, Ag	V^0 Cd^2+/ Cd
1	20	+0,5474	+0,1979	+0,3495
2	25	+0,5167	+0,1937	+0,3230

Schemat reakcji:

Katoda: Cd²⁺ + 2e = Cd

Anoda: Ag + Cl^- = AgCl + e /٠2

Cd²⁺ + 2Ag + 2Cl^- = 2AgCl + Cd

Obliczenie V⁰ Cd²⁺/Cd

- dla T = 20⁰C

E⁰ = V⁰ Cl^- / AgCl, Ag + V⁰ Cd²⁺/ Cd

V⁰ Cd²⁺/ Cd = E⁰ - V⁰ Cl^- /AgCl, Ag =+0,3495

- dla T = 25⁰C

V⁰ =+0,3230

b) pomiar siły elektromotorycznej ogniw:

- przygotowujemy w małych zlewkach r- ry elektrolitów

- zlewki z roztworami elektrolitów umieszczamy w termostacie

- po osiągnięciu przez elektrolity zadanej temperatury wkładamy do zlewek odpowiednie elektrody metalowe

- łączymy zlewki z elektrolitami kluczem elektrolitycznym

- elektrody łączymy z woltomierzem cyfrowym

- mierzymy różnicę potencjałów między elektrodami

Wyniki pomiarów:

Lp.	T[^0C]	E Cd/Cd(NO3)2/ Fe/Fe(NO3)3	E[V]
1	20	0,724	0,718
2	25	0,769	0,763

Anoda: Cd = Cd²⁺ 2e /٠3

Katoda: Fe³⁺ + 3e = Fe /٠2

3Cd + 2Fe³⁺ = 3Cd²⁺ + 2Fe

Siłę elektromotoryczną obliczamy z równania NERNSTA:

a_Fe ; a _Cd = 1

dla T = 20⁰C

Dla T = 25⁰C

E = 0,763

c) obliczenie ∆G reakcji zachodzących w ogniwach z wykorzystaniem pomiarów SEM ogniw

Fe / Fe(NO₃)₃ // Cd / Cd(NO₃)₂

dla T = 20⁰C

dla T = 25⁰C

6. WNIOSKI:

Elektrody odwracalne sporządzone z metali w stanie stałym tworzą ogniwa dla których powtarzalność wartości pomiarów SEM jest utrudniona. Wynika to głównie z własności tych metali. Na błąd pomiarów ma wpływ niedoskonałość metody kompensacyjnej, w której oznaką osiągnięcia stanu równowagi jest brak przepływu prądu w gałęzi, w której znajduje się ogniwo i czuły galwanometr (wskaźnik zera). W zasadzie metoda ta nie zapewnia całkowitego braku przepływu prądu przez badane ogniwo w momencie kompensacji.

---