Sprawozdanie z laboratorium

4) WYZNACZANIE FUNKCJI TERMODYNAMICZNYCH

REAKCJI Z POMIARÓW SEM OGNIWA.

Przemysław Stempor, sekcja 1, grupa 1, Biotechnologia, AIiE 2006-05-08

I. Wstęp teoretyczny

Układ powstały przez połączenie przewodnikiem na zew. dwóch różnych metali zanurzonych w roztworze elektrolitu zachodzi pewna wypadkowa reakcji redoks będącą sumą reakcji przebiegającej w dwóch półogniwach. Elektrony uwalniane w jednym półogniwie-zwanym anodą, gdzie zachodzi proces utleniania, przesyłane są przez obwód zewnętrzny do drugiego półogniwa-katody, gdzie zachodzi proces redukcji Elektrony dostarczane są do obwodu zewnętrznego przez elektrodę lewą, a odbierane przez prawą. Układ znajduje się w stanie równowagi gdy w obwodzie elektrod nie przepływa prąd . Zmierzona w stanie równowagi wartość różnicy potencjałów określana jest jako SEM. Praca układu równa jest wówczas iloczynowi SEM i ładunku przeniesionego w istniejącym polu elektrycznym. Równocześnie praca ta równa jest zmianie potencjału. Potencjał termodynamiczny obliczamy ze wzoru:

ΔG = -zFE

zmianę entalpii układu obliczamy ze wzoru:

ΔS =

Zmianę entalpii reakcji obliczamy ze wzoru:

ΔH = ΔG + TΔS

Szczególnie ważne jest zastosowanie pomiaru SEM do określenia aktywności jonów wodorowych - pH . W tym celu stosuje się ogniwo złożone z półogniwa wskaźnikowego , którego potencjał jest funkcją aktywności jonów wodorowych .

II. Sposób wykonania ćwiczenia

Ćwiczenie polega na wykonaniu 5 pomiarów SEM w różnych temperaturach przy zastosowaniu kompensatora oraz ogniwa Westona z elektrodami cynkową oraz kadmową. Dokładny przebieg ćwiczenia wyglądał następująco:

• Przygotowano aparaturę do pracy, wymywając dokładnie naczyńka wodą destylowaną.

• Do środkowej komory spełniającej rolę klucza elektrolitycznego wlano 8 cm³ KNO₃

• Przygotowano odpowiednio roztwory soli (dwukrotne rozcieńczenie soli 0.1 molowych):

• 0,05 molowy ZnSO₄

• 0,05 molowy CdSO₄

• Wlano po 15 cm³ do otworów. Następnie zanurzono elektrody, odpowiednio Zn w roztworze Zn SO₄ i Cd w roztworze Cd SO₄.

• Przygotowano kompensator, a następnie wykonano 5 pomiarów, zmieniając temperaturę w zakresie od 293 K do 333 K.

• Po zakończeniu pomiarów wymyto naczyńko wodą destylowaną.

III. Wyniki doświadczeń

Tabela zawierająca dane pomiarowe:

Lp.	T [K]	SEM [V]
1	293	0,330
2	303	0,324
3	313	0,321
4	323	0,318
5	333	0,309

IV. Obliczenia

Korzystając z wykresu, oraz wiedząc że E jest funkcją temperatury E = f(T) ustala się wartość temperaturowego współczynnika siły elektromotorycznej ogniwa:

SEM = y = -0,00048*T + 0,4706

Czyli:

Następnie korzystając z poniższych wzorów obliczmy wartości entalpii swobodnej, entropii i entalpii reakcji zachodzącej w ogniwie.

gdzie:

z - wartościowość jonu w stosunku do którego odnosi się mol reagentów

(liczba moli elektronów równoważna molowi reakcji),

F - stała Faradaya, NA·e, F = 96485,39 (29) [C/mol],

E - siła elektromotoryczna ogniwa [V],

oraz

Dane wejściowe użyte do obliczeń:

Nazwa parametru	Oznaczenie parametru	Wartość
Temperaturowy współczynnik siły elektromotorycznej ogniwa	dE/dt	-0,0003
Stała Faradaya	F [C/mol]	96485,39
wartościowość jonu w stosunku do którego odnosi się mol reagentów	z	2

Na podstawie powyższych danych oraz wzorów możemy obliczyć wartości entalpii swobodnej, entropii i entalpii (ΔrG, ΔrS, ΔrH) dla temperatury równej 298 K:

SEM = y = -0,00048*298+ 0,4706 [V]

SEM = 0,328 [V]

[ J / mol]

[J /(mol * K)]

[J / mol]

Następnie wykonano obliczenia wartości entalpii swobodnej, entropii i entalpii (ΔrG, ΔrS, ΔrH) dla pozostałych, zmierzonych wartości temperatur i SEM przy użyciu arkusza kalkulacyjnego, dane zestawiono w tabeli:

Lp.	Temp. [ K ]	SEM [ V ]	ΔG [ J/mol ]	ΔS [ J/mol⋅K ]	ΔH [ J/mol ]
1	293	0,330	-63680	-92,626	-90820
2	303	0,324	-62523	-92,626	-90588
3	313	0,321	-61944	-92,626	-90936
4	323	0,318	-61365	-92,626	-91283
5	333	0,309	-59628	-92,626	-90472

V. Wnioski:

Wyniki przeprowadzonych badań dowodzą , że siła elektromotoryczna ogniwa maleje wraz za wzrostem temperatury (można zaobserwować to na załączonym wykresie ). Wyznaczona podczas ćwiczenia charakterystyka SEM w zależności od temperatury pozwoliła nam wyznaczyć potencjał termodynamiczny entropii oraz entalpii reakcji elektrodowej zachodzącej w ogniwie . Zachodzące reakcje były charakteru egzotermicznego o czym świadczą ujemne wartości entalpii swobodnej, entropii i entalpii (ΔrG, ΔrS, ΔrH) reakcji zachodzącej w ogniwie.

Na otrzymane wyniki wpływ miały błędy popełnione przy sporządzaniu roztworów

oraz błąd miernika przy pomocy którego odczytywaliśmy SEM.

---