Ćwiczenie nr 5

Pomiar siły elektromotorycznej ogniw galwanicznych i stężeniowych

Ogniwo galwaniczne jest układem, który może wykonać pracę elektryczną kosztem redoksowych przemian chemicznych. Przykładem takiego ogniwa może być ogniwo Daniella. Ogniwo to składa się z blaszki cynkowej zanurzonej w roztworze ZnSO₄ i blaszki miedzianej zanurzonej w roztworze CuSO₄. Oba roztwory kontaktują się ze sobą przez przegrodę porowatą umożliwiającą przepływ jonów, a zapobiegającą mieszaniu się roztworów. Po połączeniu cynku z miedzią przewodnikiem elektonowym popłynie prąd elektryczny. Przepływ prądu elektrycznego jest wynikiem reakcji chemicznej zachodzącej w obu częściach ogniwa tzw. półogniwach, na granicy pomiędzy metalem i roztworem. Na anodzie zachodzi utlenianie:

Zn - 2e → Zn²⁺

Uwolnione elektrony przekazywane są na katodzie, gdzie zachodzi reakcja redukcji:

Cu²⁺ + 2e → Cu

Bieg powyższych reakcji powoduje, że anoda zyskuje elektrony, ma więc potencjał ujemny, natomiast katoda potencjał dodatni. Sumarycznie w ogniwie zachodzi reakcja redoks:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Budowę elektrody zapisujemy :

(-)  Zn Zn²⁺ _(m1) Cu²⁺ _(m2) Cu(+)

Ogniwa galwaniczne to ogniwa, które mogą wykonywać pracę elektryczną kosztem redoksowych przemian. Przykładem takiego ogniwa jest ogniwo Daniella.

Ogniwa stężeniowe powstają z dwóch jednakowych elektrod różniących się jedynie aktywnością jonów w reakcjach elektrodowych. Przykładem takeigo ogniwa jest ogniwo amalgamatowe:

(-)HgCd(a1)CuSO₄Cd(a2)Hg (+)

w których aktywność Cd a1>a2. Przykładem ogniwa z różnicą stężeń roztworów elektrodowych jest ogniwo składające się z dwóch elektrod srebrowych zanurzonych w roztworach o a1 i a2 gdzie a1<a2 połączonych kluczem elektrolitycznym.

(-)AgAgNO₃ (a1) AgNO₃ (a2)Ag (+)

Siła elektromotoryczna równa się:

E = E^o₂ = 0,059loga₂ - (E₁^o + 0,059loga₁) SEM = 0,059log(a₂/a₁)

Ogniwo bez prznoszenia - jeżeli w ogniwie nie ma granicy pomiędzy roztworami poszczególnych elektrod. Przykładem może być ogniwo:

(-) Pt, H₂ (p1)H⁺Cl^- Cl₂ (p₂)

gdzie elektrody mają wspólny roztwór HCl

Wzór Nernsta:

E = E_o - (RT/nF)ln[(a_c^c a_D^d)/(a_A^a a_B^b)]

reprezentuje siłę elektromotoryczną danego ogniwa. SEM można też obliczyć z potencjału obu elektrod. Siła elektromotoryczna jest równa różnicy pomiędzy potencjałem przewodnika przyłączonego do elektrody prawej, a potencjałem przewodnika wykonanego z tego samego metalu dołączonego do elektrody lewej tzn. E = Π_P - Π_L

W ten sposób wyliczona SEM jest prawdziwa jedynie wtedy, gdy pomiędzy roztworami nie występuje dodatkowy spadek potencjału nazywany potencjałem dyfuzyjnym. Potencjał dyfuzyjny można wyeliminować poprzez wprowadzenie do ogniwa klucza elektrolitycznego. Potencjał dyfuzyjny nie występuje w ogniwach bez przenoszenia. Wzór Nernsta opisuje również reakcje elektrodowe:

Mⁿ⁺ + ne ↔ M^o

Π = Π^o + RT/nF lnMn⁺

Π^o - potencjał standardowy jest równy potencjałowi danej elektrody w przypadku aktywności Mⁿ⁺ < 1.

Potencjału elektrody nie można wyznaczyć, można jedynie wyznaczyć wartość bezwzględną; jest on równy sile elektromotorycznej ogniwa złożonego z danej elektrody oraz standardowej elektrody wodorowej zestawionej w ten sposób, by elektroda wodorowa znajdowała się po lewej stronie ogniwa, w którym nie występuje potencjał dyfuzyjny

E⁰ = -ΔG^o/nF

jest standardową SEM ogniwa, w którym aktywoności reagentów są równe jedności.

Literatura

Sobczyk L., Kisza A. „Chemia fizyczna” PWN Warszawa 1977

Pigoń K., Ruziewicz Z. „Chemia fizyczna” PWN Warszawa 1980

Wykaz substancji chemicznych stosowanych w zadaniu:

• roztwór chlorku potasu

• roztwór bromku potasu

• roztwór jodku potasu

• roztwór siarczanu cynku

• roztwór siarczanu miedzi

• roztwór azotanu srebra

Oświadczenie

Oświadczam, że zapoznałam się z kartami charakterystyk w/w substancji i znane mi są właściwości tych substancji, sposoby bezpiecznego postępowania z nimi oraz zasady udzielania pierwszej pomocy w nagłych wypadkach.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest pomiar siły elektromotorycznej ogniw galwanicznych i stężeniowych.

---