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 aM/aM
Gdzie: E0 - normalny potencjał elektrody
R - stała gazowa
T - temperatura bezwzględna
F - stała Faradaya
n - liczba elektronów biorących udział w reakcji
aM - 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/dm3] |
0,2n=0,067[mol/dm3] |
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] |
E0 CL-/AgCl, Ag/Fe/Fe(NO3)3 |
V0 Cl-/ AgCl, Ag [V] |
V0 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] |
E0 Cl- / AgCL, Ag/ Cd/Cd(NO3)3 |
V0 Cl- / AgCl, Ag |
V0 Cd2+/ 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:
aFe ; 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.