Wyznaczanie potencjału standardowego elektrody chinhydronowej.

Cel ćwiczenia: Wyznaczenie potencjału standardowego elektrody chinhydronowej poprzez pomiar siły elektromotorycznej ogniwa (SEM).

1. Wstęp teoretyczny

Ogniwo elektrochemiczne - układ w którym wymiana elektronów pomiędzy reagentami zachodzi poprzez przewodnik zamykający obwód między elektrodami.

SEM ogniwa (siła elektromotoryczna) - jest to potencjał elektrostatyczny drutu przyłączonego do elektrody znajdującej się na schemacie ogniwa po stronie prawej, mierzony w stanie równowagi względem potencjału drutu z tego samego metalu, przyłączonego do elektrody lewej.

Potencjał standardowy elektrody - jest to siła elektromotoryczna ogniwa zbudowanego w taki sposób, że lewym półogniwem jest standardowa elektroda wodorowa, a prawym badana elektroda. W związku z tym, że wartość potencjału standardowej elektrody wodorowej została przyjęta jako wzorcowa, równa zero, to mierzona siła elektromotoryczna jest równa potencjałowi standardowemu elektrody badanej

SEM ogniwa, E, jest równa różnicy potencjałów elektrody chinhydronowej i kalomelowej E = E_chin - E_kal

Potencjał nasyconej elektrody kalomelowej, E_kal , jest stały, natomiast potencjał elektrody chinhydronowej, E_chin, zależy od aktywności jonów wodorowych w roztworze,
, zgodnie

z wzorem Nernsta

E_chin = E
+
ln
; gdzie: E
jest potencjałem standardowym tej elektrody

Wobec tego SEM ogniwa jest równa

E = E
+
ln
- E_kal

Aktywność jonów wodorowych,
, powiązana jest z molalnością m (mol/kg) roztworu zależnością:
=

, gdzie
jest współczynnikiem aktywności jonów wodorowych. Dla roztworów HCl, który jest elektrolitem typu 1-1, stężenie jonów wodorowych jest równe stężeniu kwasu, m₊ = m, a współczynnik aktywności kationu,
, jest równy średniemu jonowemu współczynnikowi aktywności,
. Stąd możemy napisać, że SEM ogniwa jest równa

E = E
- E_kal +
ln m
= E
- E_kal + 2,3
log m + 2,3
log

Dla rozcieńczonych roztworów średni jonowy współczynnik aktywności,
, można obliczyć na podstawie granicznego prawa Debye'a-Hückel'a. Dla elektrolitów rozcieńczonych
(
< 0,01)

log
= - A │ z_+·z_- │

gdzie -
jest siłą jonową roztworu. Dla elektrolitów typu 1-1,
jest równe m.

Stąd wzór na SEM przyjmuje postać

E = E
- E_kal + 0,059 log m - 0,059·A·

Po przekształceniu tego równania otrzymujemy zależność prostoliniową:

y ≡ E + E_kal - 0,059 log m = E
- 0,059·A·

z której można wyznaczyć potencjał standardowy elektrody chinhydronowej, E
.

2.Opis i wykonanie doświadczenia

1. Przygotowuję pehametr do pomiaru SEM: naciskam czerwony przycisk „sieć” oraz przycisk „mV”.

2. Mv kolbach miarowych o pojemności 100ml przygotowuję 5 roztworów HCl o stężeniach 0,05 M, 0,01 M, 0,005 M, 0,0025 M, 0,00125 M. Rozwory sporządzam poprzez kolejne rozcieńczenia.

3. Zlewkę pomiarową przepłukuję wodą destylowaną, a następnie roztworem najbardziej rozcieńczonym kwasu. Roztworem tym napełniam zlewkę do połowy, wsypuję szczyptę chinhydronu, roztwór mieszam bagietka i wstawiam elektrody pomiarowe.

4. Po upływie 5 min. Dokonuję odczytu SEM ogniwa. Pomiar powtarzam trzykrotnie w krótkich odstępach czasu i zapisuję E₁, E₂, E₃. Wartości powinny być zbliżone.

5. Dalsze pomiary wykonuję w kolejności rosnących stężeń HCl, według opisu wyżej.

6. po zakończeniu pomiarów ogniwo pomiarowe pozostawiam w zlewce z wodą destylowaną.

7. Wyniki pomiarów zestawiam w tabeli.

3. Pomiary

Lp.	Stężenie HCl [mol/kg]	SEM [V]
				E1[mV]	E2[mV]	E3[mV]	[V]
1	0,05	341,9	342,6	343,0	0,3425
2	0,01	330,7	331,0	331,4	0,3310
3	0,005	313,6	313,9	314,2	0,3139
4	0,0025	324,9	324,9	324,9	0,3249
5	0,00125	304,7	304,6	304,9	0,3047

4. Opracowanie wyników

m			y= Ekal + -0,059 log m
[mol/kg]	-	[V]	[V]
0,05	0,223607	0,3425	0,6107
0,01	0,1	0,3310	0,6605
0,005	0,070711	0,3139	0,6911
0,0025	0,05	0,3249	0,7399
0,00125	0,035355	0,3047	0,7774

Wartość y obliczam ze wzoru: y= E_kal +
-0,059 log m

Gdzie E_kal =0,2415 V

Przykładowo dla m =0,05[mol/kg]:

y = 0,2415+0,3425-(0,059 log 0,223607) = 0,6107 [V]

Sporządzam wykres zależności

Wykres zależności

y=-0,781x +0,7719

R² =0,8464

Obliczony za pomocą arkusza kalkulacyjnego standardowy potencjał elektrody chinhydronowej wynosi:

y=E^o= 0,781 [V]

Teoretyczna wartość E^o_chin:

E^o_chin=0,699 [V]

BŁĄD WZGLĘDNY POMIARU:

11,7%

5. Wnioski

Celem ćwiczenia było wyznaczenie potencjału standardowego elektrody chinhydronowej. Pomiar ten umożliwia wyznaczenie SEM ogniwa zbudowanego z nasyconej elektrody kalomelowej i chinhydronowej zanurzonych w roztworze kwasu solnego o różnych stężeniach (0,05 M, 0,01 M, 0,005 M, 0,0025 M, 0,00125 M).

Z pomiarów wynika ze wraz z kolejnym rozcieńczeniem kwasu solnego wartości siły elektromotorycznej maleją.

Zmierzona przeze mnie wartość standardowej SEM ogniwa wynosi 0,781V, niestety odbiega ona od standardowego potencjału elektrody chinhydrynowej podawanego w tablicach fizykochemicznych, który wynosi 0,699V.

Błąd względny wyznaczonej wartości standardowej SEM ogniwa wynosi ok. 11,7 %. Prawdopodobnie wynika on ze zbyt krótkiego czasu od wstawienia elektrody do próbki do pomiaru, w wyniku czego wskazanie woltomierza mogło nie uzyskać dostatecznego stanu równowagi.

Wykres zależności
powinien być zależnością prostoliniową, dzięki której wyznacza się potencjał standardowy elektrody chinhydronowej, w przypadku moich pomiarów jednak ta liniowość jest słabo widoczna.

Pewien oznaczony na wykresie przedział spełnia tę zależność i tam właśnie powinny zawierać się punkty pomiarowe, pozostałe punkty pomiarowe znacznie odbiegają od lini prostej.

---