POMIAR POTENCJAŁU ELEKTRODOWEGO ORAZ SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ OGNIWA STĘŻENIOWEGO BEZ PRZENOSZENIA
Metal zanurzony w roztworze swoich jonów ma tendencję do wysyłania swoich kationów do roztworu. Na granicy metal-elektrolit zachodzą dwa procesy: przechodzenie atomów w postaci jonów z metalu do roztworu oraz równocześnie wydzielanie się z roztworu kationów na powierzchni metali, w postaci atomów. W wyniku przebiegu tego procesu elektroda metaliczna ładuje się do pewnego potencjału. Na granicy metal-elektrolit powstaje skok potencjału zwany potencjałem elektrodowym. Za-proponowany przez Nernsta mechanizm zjawisk towarzyszących powstawaniu potencjału elektrodowego prowadzi do wzoru na potencjał Ve elektrody zanurzonej w roztworze swoich jonów o stężeniu c: RT
V = V +
c
ln
e
e 0
zF
[1]
gdzie Veo - potencjał normalny tj. potencjał elektrody zanurzonej w roztworze o stężeniu kationów równym 1 mol/dm3, R - stała gazowa, F - stała Faradaya, T - temperatura bezwzględna, z - wartościo-wość.
Pomiar potencjału elektrodowego dokonujemy przez pomiar SEM ogniwa, w którym jedną elektrodą jest elektroda standardowa tj. kalomelowa o znanym potencjale, zanurzona w nasyconym roztworze KCL, a drugą elektrodą jest metal zanurzony w roztworze swoich jonów, którego potencjał
elektrodowy mierzymy. Oba te roztwory połączone są kluczem elektrolitycznym. Mierzony potencjał Ve elektrody badanej obliczamy ze wzoru:
Ve = E + 0,250 [V] [ 2 ]
gdzie: E - siła elektromotoryczna badanego ogniwa, 0,250 V - potencjał elektrody kalomelowej w temp. 200 C.
W przypadku układu złożonego z dwóch elektrod miedzianych zanurzonych w roztworach swoich jonów o stężeniach c1 i c2, połączonych ze sobą kluczem elektrolitycznym powstaje ogniwo stężeniowe bez przenoszenia. Siła elektromotoryczna E takiego ogniwa równa jest różnicy potencjałów elektrodowych Ve1 i Ve2 płytek miedzianych zanurzonych w roztworach o stężeniach c1 i c2 : E = Ve1 - Ve2 [ 3 ]
Po podstawieniu do tej zależności potencjałów elektrodowych określonych wzorem Nernsta, otrzymu-jemy SEM ogniwa stężeniowego:
RT
RT
E = V +
ln( c ) − V −
ln( c )
e 0
1
e 0
2
zF
zF
[4]
czyli
RT
c 1
E =
ln
zF
c
[5]
2
Po wstawieniu odpowiednich wartości oraz dla temperatury 200 C wzór ten przybiera postać: c 1
E = 029
,
0
⋅log c 2
[6]
Powyższa zależność określa SEM ogniwa stężeniowego bez przenoszenia.
Przebieg ćwiczenia:
I. Pomiar potencjału elektrodowego płytki miedzianej.
1. Płytkę miedzianą wyczyścić papierem ściernym, opłukać wodą destylowaną, osuszyć ligniną i zamocować w uchwycie po lewej stronie. Naczynie szklane z roztworem CuSO4 - 0, 1 mol, po zdję-
ciu przykrywy, wstawić do statywu zanurzając w nim zamocowaną elektrodę miedzianą. Płytkę pleksiglasową obrócić w takie położenie aby podtrzymywała wstawione naczynie z roztworem.
2. Drugie naczynie napełnione stężonym roztworem KCL, po zdjęciu przykrywy, wstawić do staty-
wu po prawej stronie i płytkę pleksiglasową zamocować jak poprzednie naczynie.
3. Oba te naczynia połączyć kluczem elektrolitycznym tj. wstawiając do otworów w górnej płytce rurkę wypełnioną nasyconym KCL z agarem.
4. Elektrodę kalomelową, zamiast płytki miedzianej, wstawić do otworu znajdującego się w górnej płytce pleksiglasowej i zanurzyć w nasyconym roztworze KCL (w naczyniu po prawej stronie). Elektrodę miedzianą i kalomelową połączyć z miernikiem siły elektromotorycznej oraz dokonać odczytu wskazań miernika. Przed pomiarem SEM przyrząd należy włączyć do sieci i uruchomić go.
5. Pomiary SEM należy dokonać dla roztworów o pięciu różnych stężeniach, zmieniając je kolejno w naczyniach po prawej stronie statywu. Wyniki pomiarów wpisać do tabeli. Potencjał badanej elektrody wyliczyć ze wzoru [ 2 ].
6. Sporządzić wykres zależności potencjału elektrodowego Ve od ln c.
II. Pomiar siły elektromotorycznej ogniwa stężeniowego bez przenoszenia.
1. Dwie płytki miedziane oczyścić papierem ściernym, opłukać wodą destylowaną, osuszyć i zamocować w uchwytach, postępując jak w p. 1 I części. Elektrodę kalomelową wyjąć z górnej płyty i wstawić do naczynia przeznaczonego dla niej.
2. Dwa naczynia szklane z roztworami o stężeniach CuSO4 - 0,1 mol oraz CuSO4 -0,01 mol, po zdjęciu przykrywy, wstawić do statywu po lewej i po prawej stronie, zanurzając w nich płytki miedziane. Obracając dolne płytki pleksiglasowe, zamocować naczynia z roztworami. Naczynia te połączyć kluczem elektrolitycznym, tak jak w punkcie 3 I części. Obie płytki miedziane z miernikiem SEM i od-czytać jego wskazania. Pomiary SEM należy dokonać dla roztworów o pięciu różnych stężeniach, zmieniając kolejno naczynia o innych stężeniach po prawej stronie statywu. Sporządzić wykres zależ-
ności siły elektromotorycznej E od log c1/c2.
Po skończonych pomiarach naczynia z roztworami należy zamknąć przykrywami.
Wymagane wiadomości teoretyczne.
1. Podać definicję potencjału elektrodowego oraz potencjału dyfuzyjnego.
2. Co to jest ogniwo stężeniowe bez przenoszenia oraz z przenoszeniem, wyjaśnić działanie klucza elektrolitycznego.
3. Omówić równanie Nernsta, zakres jego stosowalności oraz wykorzystanie tego równania.
PROPONOWANA LITERATURA.
1. E.Szyszko; Instrumentalne metody analityczne.
2. A. Pilawski; Podstawy biofizyki.
3. B. Kędzia; Materiały do ćwiczeń z biofizyki i fizyki.
4. L. Sobczyk i inni; Eksperymentalna chemia fizyczna.
5. S. Miękisz; Wybrane zagadnienia z biofizyki, tom I.
Ćwiczenie 11
Akademia Medyczna we Wrocławiu
Pomiar potencjału elektrodowego oraz
Katedra Biofizyki
siły elektromotorycznej ogniwa
stężeniowego bez przenoszenia
..................................................................
..................................................................
Imiona i nazwiska studentów
Podpis prowadzącego ćwiczenia
Wydział:
Data:
Grupa studencka:
Numer zespołu:
Ocena:
I. POMIAR POTENCJAŁU ELEKTRODOWEGO
1. Wypełnić tabelę:
Stężenie roztworu
Zmierzona
Potencjał elektrody
Lp.
CuSO4
SEM
Ve
c
ln c
[mV]
[mol/dm3]
[mV]
1
2
3
4
5
6
2. Sporządzić na papierze milimetrowym wykres zależności potencjału elektrodowego Ve od ln c.
II. POMIAR SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ OGNIWA STĘŻENIOWEGO BEZ PRZENOSZENIA 1. Wypełnić tabelę:
Stężenie CuSO4 w
Stężenie CuSO4 w
Zmierzona wartość
SEM wyliczona
naczyniu 1
naczyniu 2
SEM
teoretycznie
c1
c2
E
ET
[mol/dm3]
[mol/dm3]
[mV]
[mV]