SIŁA ELEKTROMOTORYCZNA OGNIWA
1.Wstęp teoretyczny
Metal M zanurzony do roztworu swoich jonów Mn+ tworzy układ zwany półogniwem lub elektrodą Mn+/M.
Podobnie jak potencjału wewnętrznego fazy, tak i pojedynczego półogniwa (elektrody) nie można zmierzyć. Zmierzyć można jedynie różnicę potencjałówpomiędzy dwoma elektrodami. Układ złożony z dwóch elektrod nazywamy ogniwem galwanicznym lub ogniwem.
W elektrochemii budowę ogniwa przedstawiamy za pomocą schematu:
schemat ogniwa Daniela jest następujący:
/-/ Zn / ZnSO4(aq) // CuSO4(aq) / Cu /+/
Znaki /+/ i /-/ oznaczają odpowiednio elektrodę ujemną i dodatnią ogniwa.
Kreska pionowa / oznacza granicę faz, zaś znak // oznacza obecność tzw. klucza elektrolitycznego wstawianego do ogniwa celem eliminacji potencjału dyfuzyjnego, istniejącego na granicy zetknięcia dwu roztworów.
siła elektromotoryczna ogniwa jest róena, co do znaku, i co do wielkości, potencjałowi elektrycznemu prawego przewodnika metalicznego, gdy - przy otwartym ogniwie - potencjał elektryczny takiego samego przewodnika po stronie lewej został przyjęty za równy zeru.
Źródłem SEM ogniwa jest reakcja elektrochemiczna ogniwa. Jest ona sumą reakcji zachodzących na poszczególnych elektrodach. Reakcje elektrodowe ogniwa Daniela są następujące:
/+/ : Cu2+ + 2e <==> Cu
/- / : Zn <==> Zn2+ + 2e , a ich suma daje reakcję elektrochemiczną ogniwa:
Cu2+ + Zn <==> Zn2+ + Cu
2. Opracowanie wyników:
2.1. Wartości SEM badanych ogniw
Lp. |
Schemat ogniwa |
wartość SEM |
1 |
/+/ Cu / 1n CuSO4// 1n KCl // 1n ZnSO4 / Zn /-/ |
+ 1.0856 |
2 |
/+/ Cu / 1n CuSO4 // 1n KCl // 0.1n ZnSO4 / Zn /-/ |
+ 1.0896 |
3 |
/+/ Cu / 0.1n CuSO4 // 1n KCl // 0.1n ZnSO4 / Zn /-/ |
+ 1.072 |
4 |
/+/ Cu / 0.1n CuSO4 // 1n KCl // 1n ZnSO4 / Zn /-/ |
+ 1.0644 |
5 |
/+/ Hg / Hg2Cl2 // 1n KCl // 1n ZnSO4 / Zn /-/ |
+ 0.9882 |
6 |
/+/ Cu / 1n CuSO4 // 1n KCl // Hg2Cl2 / Hg /-/ |
+ 0.0942 |
2.2 Wartość SEM ogniwa /Zn/c1ZnSO4 + c2Na2SO4//1nKCl,Hg2Cl2/Hg/
wraz z kolejnymi rozcieńczeniami. gdzie:
c1 - stężenie ZnSO4 c2 - stężenie Na2SO4
lp. |
Stężenie c1 |
uzyskana SEM |
1 |
0.1 |
1.0161 |
2 |
0.015 |
1.0139 |
3 |
0.0062 |
1.013 |
4 |
0.0013 |
1.0094 |
5 |
0.00039 |
1.0073 |
6 |
0.0001 |
1.0071 |
2.3. Wartość SEM ogniwa /Cu/c1CuSO4 + c2Na2SO4//1nKCl,Hg2Cl2/Hg/
wraz z kolejnymi rozcieńczeniami gdzie :
c1 - stężenie CuSO4 c2 - stężenie Na2SO4
lp. |
Stężenie c1 |
uzyskana SEM |
1 |
0.1 |
0.0521 |
2 |
0.015 |
0.0313 |
3 |
0.0062 |
0.0197 |
4 |
0.0013 |
0.0122 |
5 |
0.00039 |
0.0026 |
6 |
0.0001 |
0.0050 |
2.4. Potencjał elektrody kalomelowej w zależności od temperatury wynosi:
Ekal = 0.2444 - 0.0025 (T - 25)
dla T = 200C
Ekal = 0.2569 V
ECu2+/Cu = Ekal + Edoś = 0.2569 + 0.0942 = 0.3511 [V]
EZn2+/Zn = 0.2569 - 0.9882 = - 0.7313 [V]
2.5. Potencjał elektrody I rodzaju przedstawia równanie:
skąd
W roztworze CuSO4 współczynnik aktywności jonów Cu2+ można obliczyć z równania :
w którym siła jonowa roztworu I równa się = 2
to γ = 0.064
E0Cu2+/Cu = 0.3945 [V]
E0Zn2+/Zn = -0.7475 [V]
2.6. Wyznaczenie zależności potencjału elektrody od stężenia jonów Me2+ elektrody w roztworze - załączone wykresy.
2.7. Omówienie wyników
ogniwo |
SEM |
E0doś [V] |
E0tab [V] |
błąd |
/+/ Hg / Hg2Cl2 // 1n KCl // ZnSO4 / Zn /-/ |
0.9882 |
0.3945 |
0.345 |
14.34 |
/+/ Cu / 1n CuSO4 // KCl // Hg2Cl2 / Hg /-/ |
0.0942 |
-0.7475 |
-0.763 |
2.03 |
W porównaniu z wielkosciami tablicowymi uzyskane wyniki doświadczalne w przypadku Zn dość znacznie odbiegają od wartości tablicowych. Na błąd ten miało zapewne główny wpływ zbyt krótki okres czasu oczekiwania na ustanowienie się rownowagi. Niedokładność ta , jak również błąd w przypadku elektrody Cu była również spowodowana niedokładnością sporządzonego roztworu.