Nina Zarucka

Technologia chemiczna

Wydział chemiczny

Ćwiczenie nr 50

Pomiar siły elektromotorycznej ogniwa - wyznaczanie współczynników aktywności roztworu.

Ćwiczenie wykonano: 03.03.2003 r.

Sprawozdanie oddano:10.03.2003 r.

1.Część teoretyczna

Siła elektromotoryczna ogniwa,(SEM) jest to różnica potencjałów dwóch półogniw otwartego ogniwa elektrochemicznego (przez ogniwo nie płynie prąd, znajduje się ono w stanie równowagi).

Źródłem SEM są reakcje przebiegające w półogniwach (ich suma nosi nazwę reakcji ogniwa). SEM zależy od aktywności jonowej składników półogniw, temperatury i ciśnienia.

Metody pomiaru SEM dzieli się na kompensacyjne i niekompensacyjną. Metoda kompensacyjna (Poggendorfa) polega na tym, że SEM badanego ogniwa kompensuje się (równoważy) różnicą potencjałów równą co do wielkości, lecz o przeciwnym znaku. Dzięki temu ogniwo nie pracuje podczas pomiaru.

Rys. Schemat układu elektrycznego do pomiaru SEM

SEM badanego ogniwa obliczamy z zależności:

(*)

Gdzie : Ex i Ew to siła elektromotoryczna odpowiednio ogniwa badanego i wzorcowego, U_AK /R₁-spadek napięcia na oporniku, Rx i Rw opory oporników.

A zatem w praktyce pomiar SEM metodą kompensacyjną sprowadza się do wyznaczenia oporów Rx i Rw oporników, na końcach których istnieją różnice potencjałów równe odpowiednio Ex i Ew

Współczynnik aktywności wyrażamy jako stosunek aktywności jonu do stężenia tego jonu w roztworze. Jest wielkością niemianowaną, która wyraża zmniejszenie aktywności jonu w stosunku do jego aktywności w roztworze doskonałym, spowodowane wzajemnym oddziaływaniem cząstek w roztworach rzeczywistych.

Współczynnik aktywności zależy od stężenia (bardziej dla elektrolitów aniżeli nieelektrolitów) - dla roztworów nieskończenie rozcieńczonych równa się on jedności. Doświadczalnie można wyznaczyć tzw. średnie współczynniki aktywności związane z aktywnością całego elektrolitu, dla poszczególnych jonów pomiar taki jest niemożliwy (roztwór).

2. Opis wykonywanych czynności.

1. Przygotowałam roztwory CuSO₄ i ZnSO₄ o podanych stężeniach

2. Zestawiłam ogniwo, którego SEM będę mierzyła

3. Zmierzyłam SEM odpowiednich ogniw niżej podanym sposobem:

• Przełącznik P, znajdujący się pod mikroamperomierzem ustawiłam w położeniu „ogniwo Westona”

• Zamknęłam obwód wyłącznikiem i ustawiłam na dzielniku napięć taki opór Rw, aby mikroamperomierz nie wychylał się z położenia zerowego. Pomiar wykonałam trzykrotnie

• Ustawiłam przełącznik P w położeniu „ogniwo badane” i tym samym sposobem znajduje opór Rx, przy który następuje kompensacja SEM tego ogniwa. Pomiar powtarzam trzykrotnie.

Ogniwo	Stężenie	elektrolitu (mol/l)		Opór
	CuSO4	ZnSO4	R1	R2	R3	Rśred
Westona	0,5	0,25	650	650	650	650
Badane(1)	0,5	0,25	695	695	695	695
Westona	0,25	0,5	654	654	654	654
Badane(2)	0,25	0,5	692	692	691	691,7
Westona	0,25	0,1	655	655	655	655
Badane(3)	0,25	0,1	692	692	692	692
Westona	0,1	0,25	655	655	655	655
Badane(4)	0,1	0,25	690	690	690	690

4. Wykonuje pomiary dla wszystkich podanych ogniw, wyniki zestawiam w tabeli

5. Obliczam SEM badanych ogniw ze wzoru (*)

3. Opracowanie wyników

Równanie Nenrsta : E = E^{o +}
lna

Gdzie : E^{o -} potencjał standardowy półogniwa, R= 8,3144 J/(K mol), stała gazowa, T - temperatura (w K), F= 96500 C/mol, stała Faradaya, z - wartościowość jonu, a - aktywność jonu

Dane potrzebne do obliczeń:

Potencjał normalny Π^o elektrody • Zn ^2-, Zn Π^o = - 0,763

• Cu ²⁺, Cu Π^o = + 0,337

Średnie współczynniki aktywności a

elektrolit		molarność
	0,5	0,25	0,1
CuSO4	0,062	0,104	0,154
ZnSO4	0,063	0,104	0,15

Standardowa siła elektromotoryczna E^o rozpatrywanego ogniwa (ogniwa Daniela), gdzie: E^o = Π₂⁰ - Π₁⁰ a Π_Cu^o = 0,337 V, Π_Zn^o = - 0,763 V wynosi E^o = + 0,337V - (-0,763V) = 1,10 V.

Wariant I

1. Korzystając z równania Nenrsta oraz podanych wartości potencjałów standardowych elektrod E^o i z wartości współczynników aktywności γ obliczam SEM badanych ogniw.

2. Obliczam błąd względny pomiaru SEM. Wyniki zestawiam w tabelce.

Przykładowe obliczenia dla pierwszego badanego ogniwa (0,5 mol/l CuSO₄ i 0,25 mol/l ZnSO₄).

• Obliczam Ed wykorzystując wyznaczone opory Rw i Rx:

Ed =
=
= 1,088

• Et obliczam jako różnice potencjałów półogniw prawego(Π_) i lewego(Π_ Et = Π₂(prawe) - Π₁(lewe). Schemat reakcji przebiegającej na ogniwie (Π1)Zn  Zn²⁺ (a₊₁)  Cu ²⁺ (_a+2)  Cu (Π₂)

Czyli,


Et = 1,10 V ⁺
ln
= 1,093 V

Ogniwo	Ed [V] doświad.	Et [V] teoret.	[%]
1	1,088	1,093	0,4
2	1,077	1,106	2,8
3	1,076	1,095	1,8
4	1,072	1,105	3,0

4. Wnioski

Doświadczenie polegało na wyznaczeniu takich oporów oporników, na końcach których istnieją różnice potencjałów kompensujące siłę elektromotoryczną badanego ogniwa. Siła elektromotoryczna badanych ogniw wyliczona za pomocą tych oporów przyjmuje wartości od 1,088 V do 1,072. Jak widzimy są one przybliżone do wartości teoretycznej SEM wyliczonej z równania Nenrsta a błąd względny pomiaru nie przekracza 3%.

4

---