Ćwiczenie 18. Pomiar SEM ogniw (7C-1)

Opis teoretyczny: rozdz. 7.1-7.6 (str. 177-197).
Wykonanie ćwiczenia: [Ćwiczenie 7C-1 (str. 197-202)].Ćwiczenie w tej formie będzie
wykonywane po przeprowadzeniu zmian w wyposażeniu szafek. Nim to nastąpi należy
korzystać z opisu zadania 2 (z jedną zmianą), jak w ćwiczeniu 7C-1, opis zadań 1 i 3 podany
jest poniżej.
Instrukcje obsługi przyrządów: pH-jonometr CPI 501, lub pH-jonometr CPI 551

Woltomierze cyfrowe.

Komentarz szczegółowy do ćwiczenia 18

Ćwiczenie 18 różni się nieco od opisanego w podręczniku ćwiczenia 7C-l noszącego ten

sam tytuł. Ćwiczenie składa się z trzech zadań. Student wykonuje zadania 1 i 2 lub 1 i 3.
Zadanie 2 jest identyczne z zadaniem 2 opisanym w podręczniku na str. 200-202. Natomiast
zadania 1 i 3 różnią się i dlatego zostaną tu bardziej szczegółowo opisane. Cytowania,
numery stron, numery wzorów i schematów odnoszą się do podręcznika DOŚWIADCZENIA
FIZYKOCHEMICZNE, wyd.1 i wyd. 2 poprawione..

Zadanie 1 - Ogniwo Daniella

Celem zadania jest zmierzenie SEM ogniwa Daniella (patrz schemat (I) na str. 198 oraz

wyznaczenie potencjałów obu jego półogniw. Wyniki należy porównać z obliczonymi na
podstawie tablicowych wartości potencjałów standardowych E

∆

obu półogniw (patrz tabela

14.6 w podręczniku na str. 407).

Aparatura i wyposażenie: takie samo jak opisane w ćwiczeniu 7C-1.

Wykonanie:

Pobrać od laboranta elektrody miedziową, cynkową i półogniwo kalomelowe oraz ew.

czujnik temperatury Pt100. Elektrody oczyścić papierem ściernym (do każdej elektrody użyć
osobnego skrawka papieru ściernego) i zmontować ogniwo o schemacie:

Zn| 0,05 M ZnSO

4

|| 0,05 M CuS0

4

|Cu

(I)

W tym celu do otworów statywu tekstolitowego (patrz rys. 7.8 w podręczniku) wstawić

zlewki o pojemności 50 cm

3

napełnione odpowiednio roztworem CuSO

4

(prawy otwór) i

ZnSO

4

(lewy otwór). W gniazdach I i III zamocować odpowiednio elektrody Cu i Zn, a

roztwory połączyć kluczem elektrolitycznym. Wyprowadzenia „

+” i ,,–” w tekstolitowym

statywie połączyć z zaciskami pomiarowymi miernika. (jeśli jako miernika używa się pH-
jonometru wykorzystać kabel z wtyczką BNC, i przyłączyć czerwony kabel do zacisku ,,+”).
Zmierzyć kilkakrotnie SEM ogniwa (jeśli pomiary wykonuje się pH-jonometrem ustawić tryb
pracy na „mV”). Zanotować kilka kolejnych wyników pomiarów (E

zmirz

) i temperaturę

roztworów (czujnik Pt100 lub termometr laboratoryjny).

Sporządzić ogniwa o schematach:

Hg,Hg

2

Cl

2

| nasyc. KCl || 0,05 M CuSO

4

|Cu

(VII)

Hg,Hg

2

Cl

2

| nasyc. KCl || 0,05 M ZnSO

4

|Zn

(VIII)

pierwsze z nich (VII) utworzymy wyjmując klucz elektrolityczny i mocując półogniwo
kalomelowe w gnieździe II, drugie (VIII) zamieniając miejscami roztwory i elektrody
metalowe, pozostawiając natomiast w gnieździe II półogniwo kalomelowe (przed zanurzeniem
do nowego roztworu opłukać i osuszyć).

Zmierzyć kilkakrotnie SEM ogniwa (VII) = E

1

a następnie ogniwa (VIII) = E

2

.

Zanotować wyniki i obliczyć wartości średnie.
Opracowanie wyników:

• Obliczenie potencjałów półogniw Cu

2+

|Cu i Zn

2+

|Zn. Ponieważ, E

1

= E

Cu

2+

|Cu

– E

kal.

,

zaś E

2

= E

Zn

2+

|Zn

– E

kal.

, wobec tego potencjały półogniw Cu

2+

|Cu i Zn

2+

|Zn

znajdziemy dodając do zmierzonych wartości E

1

i E

2

potencjał półogniwa

kalomelowego (patrz tabela 14.7 C).

• Obliczenie SEM ogniwa Daniella z pomiarów SEM ogniw (VII) i (VIII) oraz na

podstawie danych tablicowych. Różnica E

l

- E

2

powinna być równa wartości E

zmierzonej w pierwszym pomiarze (sprawdzić jaka jest różnica pomiędzy tymi
wartościami). Wartość E można obliczyć ponadto z równania:

2+

2+

2+

2+

2+

2+

2+

2+

2+

2+

2+

2+

Zn

Cu

|Cu

Zn

|Zn

Cu

|Cu

Zn

|Zn

Cu

Zn

Zn

Cu

|Cu

Zn

|Zn

Cu

Cu

ln

2

ln

2

a

RT

E

E

E

E

E

F

a

m

RT

E

E

F

m

γ
γ

⊕

⊕

⊕

⊕

=

−

=

−

−

=

−

−

Przyjąć, że dla roztworów 0,05 M molalności (m)

są równe stężeniom molowym (c),

współczynniki aktywności jonów obliczyć znajdując w tablicach (np. Poradnik
fizykochemiczny) wartości średnich współczynników aktywności dla 0,05 M roztworów
CuS0

4

i ZnS0

4

, oraz zakładając, że

γ

Me

2+

=

γ

±

. Należy porównać wartości E ogniwa Daniela

otrzymane trzema różnymi metodami.

Zadanie 2 – Ogniwa stężeniowe

W części a) zależność SEM od molalności – wykonać jak opisano w podręczniku na str.200.

W części b) wyznaczenie iloczynu rozpuszczalności – należy roztwór 1. sporządzić przez
odmierzenie

20 cm

3

0,01 M AgNO

3

(zamiast 25 cm

3

) i dodać

25 cm

3

odczynnika strącającego

(zamiast 30 cm

3

), do sporządzenia roztworu 2. odmierzyć

20 cm

3

0,01 M AgNO

3

(zamiast 25

cm

3

) i dodać

30 cm

3

odczynnika strącającego (zamiast 35 cm

3

), pozostałe bez zmian.

Zadanie 3 -Pomiary pH

Zadanie to jest podobne do ćwiczenia

7C-3

opisanego w podręczniku na str. 205-208, z

którym należy się zapoznać.

Celem zadania jest zmierzenie pH roztworów:

a)

silnego kwasu (lub zasady) o dwóch różnych stężeniach,

b)

słabego kwasu o dwóch różnych stężeniach,

c)

roztworu buforowego sporządzonego wg zadanego przepisu,

d)

roztworu kontrolnego.

Aparatura i wyposażenie:

pH-jonometrmetr, elektroda zespolona (lub półogniwo szklane i kalomelowe ), elektroda
antymonowa, elektroda platynowa i półogniwo kalomelowe, czujnik Pt100, szkło
laboratoryjne i roztwory jak w ćwiczeniu 7C-3.

Wykonanie doświadczeń

W osobnych zlewkach przygotować

a)

Dwa roztwory silnego kwasu lub silnej zasady o stężeniach różniących się o rząd
wielkości (np. 0,1 M i 0,01 M lub 0,05 M i 0,005 M).

b)

Dwa roztwory CH

3

COOH o stężeniach jak w punkcie a).

c)

Roztwór buforowy, mieszając roztwory CH

3

COOH i CH

3

COONa w proporcjach

wskazanych przez prowadzącego ćwiczenia.

d) Roztwór kontrolny (przelać z butelki).
Każdy roztwór powinien znajdować się w osobnej zlewce, a zlewki winny być opisane.

Włączyć do sieci pH-jonometr, przyłączyć do gniazda BNC elektrodę zespoloną a do
właściwego gniazda wtykowego czujnik Pt100. Włączyć zakres pomiarowy: „pH”. Przed
przystąpieniem do pomiarów wykalibrować pH-jonometr na 3 roztwory buforowe postępując
zgodnie z instrukcja obsługi właściwego przyrządu.

Zmierzyć pH wszystkich roztworów opisanych w punktach a) - d), wstawiając kolejno

do każdej ze zlewek elektrodę zespoloną i czujnik Pt100, a następnie po ustaleniu się
wskazań odczytywać wartości pH. Każdy pomiar powtórzyć kilkakrotnie, wyniki zanotować i
obliczyć wartości średnie. Po pomiarach roztworów nie wylewać!

W miejsce elektrody zespolonej przyłączyć do pH-jonometru elektrodę antymonową

(elektroda wskaźnikowa) i półogniwo kalomelowe (porównawcze). Przełączyć pH-jonometr
na zakres pomiarowy „mV”. Elektrody zanurzyć w pierwszej zlewce, co spowoduje
powstanie ogniwa:

Sb,Sb

2

O

3

|H

3

O

+

||Cl

–

(nasyc. KCl)| Hg

2

Cl

2

,Hg

Zmierzyć SEM powstałego ogniwa. Zanurzając kolejno elektrody i czujnik Pt 100 do

następnych roztworów zmierzyć SEM powstałych ogniw. Roztworów nie wylewać,
pozostawić je w zlewkach do dalszych badań.

Wymienić elektrodę antymonowa na platynową, do zlewek z roztworami dodać po

szczypcie chinhydronu. Elektrody umieścić w pierwszym z roztworów i zmierzyć SEM
powstałego ogniwa:

Pt|C

6

H

4

O

2

, C

6

H

4

(OH)

2

, H

3

O

+

||Cl

–

(nasyc. KCl)| Hg

2

Cl

2

,Hg

W którego lewym półogniwie zachodzi reakcja:

C

6

H

4

O

2

+

2H

3

O

+

+

2e

=

C

6

H

4

(OH)

2

+

2H

2

O

gdzie C

6

H

4

O

2

(chinon) i C

6

H

4

(OH)

2

(hydrochinon) są składnikami chinhydronu, a ponieważ

znajdują się one tam w kompleksie 1:1 ich stężenie jest stałe, a potencjał półogniwa zależy
tylko od aktywności jonów wodorowych (czyli od pH roztworu). Należy zmierzyć SEM
ogniw powstałych przez zanurzenie elektrod do pozostałych roztworów.

Opracowanie wyników:

•

Zebrać w tabeli wartości pH zmierzone przy użyciu elektrody zespolonej.

•

Obliczyć pH roztworów zmierzonych elektrodą antymonową i chinhydronową. W tym
celu wyprowadzić równanie na zależność pH od SEM tych ogniw. Wartości
potencjału półogniwa kalomelowego i standardowego potencjału półogniwa
antymonowgo oraz chinhydronowego wziąć odpowiednio z tabel 14.7 C i 14.6, z
podręcznika.

•

Obliczyć pH

=

–log

a

H3O+

roztworów a) - c) znając ich stężenia (patrz ćwiczenie 7C-

3, str. 208 w podręczniku).

•

Porównać wyniki i przeprowadzić dyskusję.

Errata do rozdziału podręcznika

Str.

wiersz

jest

ma być

185 8g

zostało

będzie

185 16d

(

ν

e

= z

ν

–

)

(

ν

e

= |z

–

|

ν

–

)

186 3g

rys. 7.5D i E.

rys. 7.5.

186 11g

redoks

red-oks

186 10d

ν

ox

z

ox

–

ν

red

z

red

=

ν

e

|

ν

ox

z

ox

–

ν

red

z

red

| =

ν

e

186 7d

redox

redoks

187 4d

z

+

= z

–

= 1

z

+

= |z

–

| = 1

189

11d
(schemat
ogniwa)

2

2

nasyc

3

3

.

roztwór badany

roztwór HCl

membrana
szklana

Hg,Hg Cl |KCl

|| H O ( )

H O (

) | AgCl,Ag

x

wz

a

a

+

+

↑

M

2

2

nasyc

3

3

.

roztwór badany

roztwór HCl

membrana
szklana

Hg,Hg Cl |KCl

|| H O ( )

H O , Cl (

) | AgCl,Ag

x

wz

a

a

+

+

−

↑

M

190 11d

ze

że

202 5g

Ag ( )

l

a

+

= 0,01

γ

+

Ag ( )

p

a

+

= 0,01

γ

+

202 13g

(7.42),

(7.44),

202

wzór
(7.46)

ν

ν

3

ν

3

Me X

Me X

AgNO

X

Me X

AgNO

0, 01

|

|

z

c

V

V

z

c

V

V

−

−

−

−

−

−

=

+

ν

3

+

3

Me X

Me X

AgNO

X

Me

X

AgNO

|

|

0, 01

(

)

z

z

c

V

V

c

z

V

V

ν

ν

+

+

−

−

−

−

=

+