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 ZnSO4 || 0,05 M CuS04|Cu
(I)
W tym celu do otworów statywu tekstolitowego (patrz rys. 7.8 w podręczniku) wstawić zlewki o pojemności 50 cm3 napełnione odpowiednio roztworem CuSO4 (prawy otwór) i ZnSO4 (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 (Ezmirz) i temperaturę roztworów (czujnik Pt100 lub termometr laboratoryjny).
Sporządzić ogniwa o schematach:
Hg,Hg2Cl2| nasyc. KCl || 0,05 M CuSO4|Cu
(VII)
Hg,Hg2Cl2| nasyc. KCl || 0,05 M ZnSO4|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) = E1 a następnie ogniwa (VIII) = E2.
Zanotować wyniki i obliczyć wartości średnie.
Opracowanie wyników:
• Obliczenie potencjałów półogniw Cu2+|Cu i Zn2+|Zn. Ponieważ, E1 = ECu2+ |Cu – Ekal., zaś E2 = EZn2+|Zn – Ekal., wobec tego potencjały półogniw Cu2+|Cu i Zn2+|Zn znajdziemy dodając do zmierzonych wartości E1 i E2 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 El - E2 powinna być równa wartości E
zmierzonej w pierwszym pomiarze (sprawdzić jaka jest różnica pomiędzy tymi wartościami). Wartość E można obliczyć ponadto z równania:
⊕
⊕
RT
a 2+
Zn
E = E
− E
= E
− E
−
ln
2+
2+
2+
2+
Cu
|Cu
Zn
|Zn
Cu
|Cu
Zn
|Zn
2F
a 2+
Cu
⊕
⊕
RT
m
γ
2+
2+
Zn
Zn
= E
− E
−
ln
2+
2+
Cu
|Cu
Zn
|Zn
2F
m
γ
2+
2+
Cu
Cu
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 CuS04 i ZnS04, oraz zakładając, że γMe2+ = 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 cm3 0,01 M AgNO3 (zamiast 25 cm3) i dodać 25 cm3 odczynnika strącającego (zamiast 30 cm3), do sporządzenia roztworu 2. odmierzyć 20 cm3 0,01 M AgNO3 (zamiast 25
cm3) i dodać 30 cm3 odczynnika strącającego (zamiast 35 cm3), 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 CH3COOH o stężeniach jak w punkcie a).
c) Roztwór buforowy, mieszając roztwory CH3COOH i CH3COONa 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,Sb2O3|H3O+||Cl– (nasyc. KCl)| Hg2Cl2,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|C6H4O2, C6H4(OH)2, H3O+||Cl– (nasyc. KCl)| Hg2Cl2,Hg
W którego lewym półogniwie zachodzi reakcja:
C6H4O2 + 2H3O+ + 2e = C6H4(OH)2 + 2H2O
gdzie C6H4O2 (chinon) i C6H4(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 aH3O+ 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
(νe = zν–)
(νe = |z–|ν–)
186 3g
rys. 7.5D i E.
rys. 7.5.
186 11g
redoks
red-oks
186 10d
νoxzox – νredzred = νe
|νoxzox – νredzred| = νe
186 7d
redox
redoks
187 4d
z+ = z– = 1
z+ = |z– | = 1
11d
Hg,Hg Cl |KCl
|| H O+ (a ) M H O+ (a ) | AgCl,Ag
Hg,Hg Cl |KCl
|| H O+ (a ) M H O+ , Cl− (a ) | AgCl,Ag
189 (schemat
2
2
nasyc
3
x
3
wz.
2
2
nasyc
3
x
3
wz.
↑
↑
roztwór badany
roztwór HCl
roztwór badany
roztwór HCl
membrana
membrana
ogniwa)
szklana
szklana
190 11d
ze
że
202 5g
a
a +
= 0,01γ
Ag+
= 0,01γ
(l )
+
Ag ( p)
+
(7.42),
(7.44),
0, 01
−
−
wzór
c
V
V
| z | c
V
0, 01V
Me X
Me X
AgNO
−
Me X
Me X
AgNO
+
ν
202
ν−
ν−
3
| z |
ν
+
3
c
=
z−
(7.46)
c
−
=
X
z (V
+V
)
Xz−
V
+V
−
Me
X
AgNO
ν +
3
Me X
AgNO
ν−
3