background image

 
Ć

wiczenie nr 3 

 

TERMODYNAMIKA OGNIWA 

GALWANICZNEGO 

    
    

I. Cel ćwiczenia 

 

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie zmian funkcji termodynamicznych dla 

reakcji biegnącej w ogniwie Clarka. 
 

 
 

II. Zagadnienia wprowadzające 

 
1.

  Ogniwo, siła elektromotoryczna, pomiar SEM. 

2.

  Budowa ogniwa Clarka. 

3.

  Praca ogniwa, związek siły elektromotorycznej ogniwa z funkcjami termodyna-

micznymi. 

4.

  Równanie Gibbsa-Helmholtza. 

5.

  Energia i entalpia swobodna. 

 
 
 
 
 
 
 
 

Literatura obowiązująca: 

1.

  P.W.Atkins, „Podstawy chemii fizycznej”, PWN1999. 

1.

  Praca zbiorowa, „Chemia fizyczna”, PWN, 2001. 

2.

  L.Sobczyk, A. Kisza, „Eksperymentalna chemia fizyczna”, PWN, 1982. 

3.

  E. Szymański, Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej”, cz. 1, Wyd. UMCS 

Lublin, 1991. 

 
 

background image

Termodynamika 

 

 

 

III. Cześć teoretyczna 

 

III. 1. Energia swobodna i entalpia swobodna 

Dla  procesu  odwracalnego,  prowadzonego  w  stałej  temperaturze,  ró

żniczka 

entropii  układu  (dS)  jest  zwi

ązana  z  elementarnym  ciepłem  przemiany  (Q

el

)  i 

temperatur

ą następującą zależnością: 

 

dS = 

T

Q

el

 

(1) 

Z  równania  I  zasady  termodynamiki  wynika, 

że  Q

el

  =  dU  –  W

el

  zatem, 

podstawiaj

ąc to do równania (1) otrzymujemy: 

 

dS

 = 

T

W

dU

el

 

(2) 

Po przekształceniu równanie (2) mo

żna napisać w postaci: 

 

dU – T dS  = W

el

 

 

(3) 

lub, zakładaj

ąc stałość temperatury (dT = 0): 

 

d(U – TS) = W

el

  

(4) 

Funkcj

ę występującą w nawiasie oznacza się literą F: 

 

F = U – TS

  

(5) 

i  nazywa  si

ę  ją  energią  swobodną  lub  funkcją  Helmholtza.  Ponieważ  U  i  S  są 

funkcjami stanu, zatem funkcja F jest ni

ą również. Stosując takie oznaczenie można 

równanie (4) napisa

ć w postaci: 

 

dF = W

el

 = –p dV + W’

el

 

 (6) 

gdzie  W’

el

  oznacza  prac

ę  nieobjętościową.  Z  równania  tego  wynika,  że  w 

odwracalnej  przemianie  izotermicznej  zmiana  energii  swobodnej  układu  jest  równa 
pracy, towarzysz

ącej tej przemianie. 

Równanie (6) mo

żna zapisać w nieco innej formie: 

 

dF + p dV = W’

el

 

(7) 

Je

śli  proces  odwracalny  przebiega  w  sposób  izotermiczny  i  dodatkowo 

izobaryczny (p = const, dp = 0) to równanie (7) przybiera posta

ć: 

 

d(F +pV) = W’

el

 

(8) 

Otrzymali

śmy w ten sposób kolejną funkcję stanu, którą oznacza się literą G

background image

Ćwiczenie nr 3 – Termodynamika ogniwa galwanicznego 

 

G = F +pV

  

(9) 

Nosi  ona  nazw

ę  entalpii  swobodnej  lub  funkcji  Gibbsa.  Stosując  to 

oznaczenie równanie (8) mo

żna krótko zapisać: 

 

dG = W’

el

 

(10) 

Z  równania  (10)  wynika, 

że  w  przemianie  izotermiczno-izobarycznej, 

prowadzonej  odwracalnie,  zmiana  entalpii  swobodnej  jest  równa  pracy 
nieobj

ętościowej, towarzyszącej przemianie. 

 

III.2. Równanie Gibbsa i Helmholtza 

Entalpi

ę swobodną można zdefiniować również w inny sposób. Podstawiając 

do równania (9) za F wyra

żenie z równania (5) otrzymujemy: 

 

G = U – TS +pV 

(11) 

Poniewa

ż U + pV jest z definicji entalpią (H), zatem: 

 

G = H – TS 

 (12) 

Ze zwi

ązków między funkcjami termodynamicznymi wynika, że: 

 

S

T

G

p

=

 

 (13) 

Podstawiaj

ąc  to  za  S  do  równania  (12)  otrzymujemy  równanie  Gibbsa  i 

Helmholtza

 

G = H + T

p

T

G

  

(14) 

 

III.3. Ogniwo galwaniczne 

Ogniwo galwaniczne to urz

ądzenie, w którym wytwarza się prąd elektryczny 

kosztem  przebiegaj

ącej  w  nim  reakcji  utleniania  i  redukcji,  którą  w  najprostszym 

przypadku mo

żna przedstawić za pomocą schematu: 

aA + bB = aA

b+

 + bB

a–

 

Jednak  w  ogniwie  reakcja  redox  zostaje  rozdzielona  na  reakcje  składowe: 

utlenienia: 

aA = ab(e

) + aA

b+ 

  

oraz redukcji:  

background image

Termodynamika 

 

 

bB + ab(e

) = bB

a–

 

przy czym ka

żda z nich zachodzi w oddzielnej części ogniwa, zwanej półogniwem

Półogniwo, w którym zachodzi reakcja utlenienia nosi nazw

ę anody, a to, w którym 

zachodzi redukcja – katody

Mo

żna  zatem  powiedzieć,  że  ogniwo  galwaniczne  jest  układem  dwóch 

półogniw.  

Aby jednak obie reakcje mogły zachodzi

ć jednocześnie, czyli ogniwo było w 

stanie  wytwarza

ć  prąd,  musi  być  zapewniony  przepływ  elektronów  z  jednego 

półogniwa  do  drugiego,  oraz  jonów  pomi

ędzy półogniwami. Mówiąc inaczej, musi 

by

ć zamknięty zarówno obwód zewnętrzny, jak i wewnętrzny. 

Przepływ  elektronów  zapewniaj

ą  elektrody  oraz  łączący  je  przewód 

elektryczny.  Elektrody  s

ą  rodzajem  sondy,  wprowadzonej  do  półogniwa,  której 

zadaniem  jest  doprowadzanie  do  niego  lub  odprowadzanie  z  niego  elektronów, 
bior

ących  udział  w  reakcji  utlenienia  bądź  redukcji.  Muszą  one  być  wykonane  z 

dobrego przewodnika pr

ądu oraz pozostawać w kontakcie z reakcją, przebiegającą w 

półogniwie.  W  przypadku  półogniw  metalicznych  elektrod

ę  stanowi  blaszka 

metaliczna, b

ędąca zarazem reagentem reakcji. 

Przepływ  jonów  zapewnia  zastosowanie  klucza  elektrolitycznego,  ł

ączącego 

elektrolity w obu półogniwach, lub rzadziej przegrody porowatej. 
Ogniwo  galwaniczne  przestawia  si

ę  często  za  pomocą  schematu,  umieszczając  po 

lewej stronie półogniwo o ni

ższym potencjale. Ogniwo, w którym zachodzą zapisane 

wy

żej reakcje można zatem zapisać: 

│ A

b+ 

║ B

a+ 

│ B 

gdzie pojedyncze kreski oznaczaj

ą granicę faz (najczęściej metal – roztwór) a dwie 

równoległe granic

ę między elektrolitami (najczęściej jest to klucz elektrolityczny). 

 
 

III. 4. Siła elektromotoryczna 

Napi

ęcie  ogniwa  (U),  czyli  różnica  potencjałów  obu  elektrod,  zależy  od 

nat

ężenia pobieranego z niego prądu. Im to natężenie mniejsze, tym napięcie staje się 

coraz wi

ększe, osiągając wartość maksymalną, gdy natężenie prądu wynosi 0, czyli 

ogniwo  nie  pracuje.  T

ę  maksymalną  wartość  napięcia  dla  niepracującego  ogniwa, 

czyli  ogniwa  w  stanie  równowagi  termodynamicznej,  nazywa  si

ę  siłą 

elektromotoryczną (SEM) i oznacza najcz

ęściej symbolem E

Siły elektromotorycznej ogniwa nie mo

żna zmierzyć bezpośrednio za pomocą 

woltomierza,  gdy

ż  podłączenie  go  do  ogniwa  powoduje  przepływ  prądu  i  narusza 

stan jego równowagi. Stosuje si

ę zatem takie metody, które nie powodują przepływu 

pr

ądu.  Do  najczęściej  stosowanych  należy  metoda  kompensacyjna  Poggendorfa

background image

Ćwiczenie nr 3 – Termodynamika ogniwa galwanicznego 

 

Obecnie  coraz  cz

ęściej  stosuje  się  do  pomiaru  SEM  urządzenia 

automatyczne, posiadaj

ące wbudowane układy kompensujące, lub mierniki cyfrowe. 

 

III. 5. Związek SEM z funkcjami termodynamicznymi 

Ogniwo  galwaniczne  jest  urz

ądzeniem,  które może  służyć  do  wykonywania 

pewnej pracy u

żytecznej, nie związanej ze zmianą objętości. Jak uczy fizyka, pracę 

przeniesienia  ładunku  Q  w  polu  elektrycznym  o  ró

żnicy  potencjałów  U  można 

wyrazi

ć wzorem: 

 

W = Q · U

  

(15) 

W  przypadku  ogniwa  praca  zwi

ązana  jest  z  przebiegającą  w  nim  reakcją 

redox.  Przyjmuj

ąc,  że  przereagują  stechiometryczne  ilości  reagentów  oraz,  że  tej 

stechiometrycznej  reakcji  towarzyszy  przepływ  przez  obwód  zewn

ętrzny  z  moli 

elektronów,  wielko

ść  ładunku  wyniesie  zF,  gdzie  F  oznacza  stałą  Faradaya.  Jeśli 

ogniwo  jest  dodatkowo  w  stanie  równowagi  termodynamicznej,  to  napi

ęcie  U  jest 

równe  sile  elektromotorycznej.  Wówczas  praca  maksymalna,  która  mo

że  być 

wykonana przez ogniwo, czyli ujemna z punktu widzenia układu, wyniesie: 

 

W

 = – zFE 

(16) 

Z  drugiej  strony  wiadomo, 

że  zmiana  entalpii  swobodnej  (∆G)  jest  dla 

procesów izotermiczno-izobarycznych, prowadzonych w sposób odwracalny, równa 
pracy nieobj

ętościowej, towarzyszącej tej przemianie, a zatem: 

 

G = – zFE 

(17) 

Wyra

żając siłę elektromotoryczną w woltach, a stałą Faradaya w kulombach, 

otrzymujemy warto

ść entalpii swobodnej w dżulach. 

Entalpi

ę  reakcji,  zachodzącej  w  ogniwie,  można  powiązać  z  siłą 

elektromotoryczn

ą,  korzystając  z  równania  Gibbsa  i  Helmholtza  (14).  Ponieważ 

zmiana  entalpii  swobodnej  jest  równa  ró

żnicy  entalpii  swobodnej  w  stanie 

ko

ńcowym i początkowym (∆G = G

k

 –  G

p

), a równanie stosuje si

ę zarówno do G

k

jak i do G

p

, mo

żemy zapisać go w postaci: 

 

G = ∆H + T

p

T

G

 

(18) 

Przekształcaj

ąc  to  równanie  i  wstawiając  za  ∆G  wartość  z  równania  (17) 

otrzymujemy: 

 

H = – zFE –T

p

T

zFE

)

(

– zFE + zFT

p

T

E

 

(19) 

background image

Termodynamika 

 

 

i ostatecznie: 

 

H = –zF



p

T

E

T

E

  

(20) 

Zmian

ę entropii w procesie odwracalnym można obliczyć następująco: 

 

S =

T

Q

 

(21) 

W procesie izobarycznym zmiana entalpii równa jest ciepłu procesu, o ile nie 

wyst

ępuje praca nieobjętościowa. W ogniwie praca taka pojawia się i jest ona równa 

zmianie  entalpii  swobodnej  (równanie  10).  Zatem  zmiana  entalpii  wynosi  w  tym 
przypadku: 

 

H = Q + W’ = Q + ∆

(22) 

Zatem 

 

S =

T

G

H

  

(23) 

Ze wzoru (18) wynika, 

że: 

 

H – ∆G = – T

p

T

G

= –T

(

)

p

T

zFE

zFT

p

T

E

 

(24) 

Po  odstawieniu  tego  wyra

żenia  do  wzoru  (23)  otrzymujemy  wyrażenie  na  zmianę 

entropii w ogniwie galwanicznym: 

 

S = zF 

p

T

E

 

(25) 

 

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Ćwiczenie nr 3 – Termodynamika ogniwa galwanicznego 

 

IV Część doświadczalna 

 

A.  Aparatura i odczynniki 

1.

  Aparatura: 

  ogniwo Clarka, 

  ultratermostat, 

  termometr kontaktowy, 

  woltomierz cyfrowy. 

2.

  Odczynniki:  

  rtęć, (cz.d.a.), 

  Hg

2

SO

4

, (cz.d.a.), 

  Zn, (cz.d.a.), 

  ZnSO

4

 ·7H

2

O (cz.d.a.). 

B.  Przygotowanie termostatu 

 

Przed  przyst

ąpieniem  do  wykonywania  pomiarów  należy  uruchomić 

termostat. W tym celu nale

ży: 

  włączyć zasilanie termostatu, 

  ustawić niewielki przepływ wody, 

  na termometrze kontaktowym ustawić żądaną temperaturę, 

  pokrętłem  na  obudowie  termostatu  uruchomić  mieszadło  oraz  grzałki 

(zgodnie ze wskazówkami prowadz

ącego ćwiczenie). 

 

C. Wykonanie pomiarów SEM

  

 

Schemat ogniwa Clarka przedstawia poni

ższy rysunek.  

 

 

Zachodzi w nim nast

ępująca reakcja potencjałotwórcza: 

Zn (w Hg) + Hg

2

 SO

4

 + 7 H

2

O = Zn SO

4

 · 7H

2

O + 2Hg 

background image

Termodynamika 

 

 

 

W  celu  wyznaczenia  zmian  funkcji  termodynamicznych  dla  tej  reakcji 

potrzebna jest znajomo

ść zależności SEM od temperatury. W tym celu należy: 

  ustawić na termostacie temperaturę 20°C, 

  odczekać około 0,5 godz. do ustalenia się równowagi termodynamicznej, 

  odczytać wartość SEM. 

 

Podobn

ą procedurę należy powtórzyć dla temperatur 25, 30, 35, 40 i 45°C. 

D. Opracowanie wyników 

Wyniki pomiarów przedstawi

ć w tabeli: 

 

t

 [°C] 

T

 [K] 

E

 [V] 

 
 

 

 

 

 

Otrzymane wyniki przedstawi

ć w postaci wykresu E = f(T). Zależność ta ma 

posta

ć funkcji liniowej: 

 

= a+ b  

(26) 

 

 

Współczynniki  a  i  b  nale

ży  wyznaczyć  metodą  najmniejszych  kwadratów, 

która została omówiona w „Dodatku” na ko

ńcu skryptu. 

 

Do  oblicze

ń  współczynników  kierunkowych  prostej  wygodnie  jest  się 

posłu

żyć tabelą pomocniczą: 

 

T

T

i

E

E

i

T

i

 

293 

 

 

 

298 

 

 

 

303 

 

 

 

308 

 

 

 

313 

 

 

 

318 

 

 

 

Σ 

 

 

 

 
 

Znaj

ąc zależność SEM od temperatury obliczamy zmiany swobodnej entalpii 

dla ka

żdej badanej temperatury, korzystając z zależności (17) 

 

G = – zFE = –2 · 96500(aT+ b)      [J/mol]  

(27)                      

 

Warto

ść  zmian  pozostałych  funkcji  termodynamicznych  obliczamy  z 

zale

żności (20) i (24), oraz z liniowej zależności E od T (równanie 26): 

background image

Ćwiczenie nr 3 – Termodynamika ogniwa galwanicznego 

 

H = – zF



p

T

E

T

E

= – zF

(

)



+

p

T

b

aT

T

E

= – zF(E – aT)  [J/mol]    (28)               

oraz 

 

S = zF

p

T

E

 = zF

(

)

p

T

b

aT

+

 = zFa      [J/mol · deg] 

(29)  

 

Warto

ści  zmian  tych  funkcji  należy  obliczyć  dla  wszystkich  badanych 

temperatur. 
 

Na  podstawie  znaku  zmian  entalpii  swobodnej  oceni

ć,  czy  proces 

przebiegaj

ący w ogniwie jest samorzutny, czy nie.