Лабораторная работа и иргз № 5

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

* Знакомство с компьютерной моделью, описывающей протекание химических реакций в гальванических элементах.

* Экспериментальное определение ЭДС гальванических элементов.

 

Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике: Глинка, Общая химия, гл. 9. §9.3-9.6.

Запустите программу «Открытая химия». Выберите модель 7.4.«Конструктор гальванических элементов». Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект.

 

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

1. ЭЛЕКТРОХИМИЯ − область химии, которая изучает процессы с участием заряженных частиц, связанные с прохождением электрического тока через химические системы.

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ − реакции, протекание которых сопровождается переносом электронов от одного вещества к другому.

Под ОКИСЛЕНИЕМ понимают процесс потери электронов, под ВОССТАНОВЛЕНИЕМ − присоединение электронов. Вещество, которое принимает электроны, называется ОКИСЛИТЕЛЕМ, а ВОСТАНОВИТЕЛЕМ называется вещество, которое электроны отдает. (См. рис. 1.)

СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ – гипотетический заряд на атоме данного элемента в предположении, что все гетероатомные Рис. 1. Окислительно-восстановительная реакция.

химические связи имеют ионный характер. Степень окисления щелочных металлов и водорода (кроме гидридов) принимается равной +1, а у кислорода (кроме пероксидов и фторидов) –2. Сумма степеней окисления у всех атомов в молекуле равна 0. При окислении степень окисления элемента – возрастает, при восстановлении – понижается.

2. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ − устройство для получения электрического тока за счет протекания в нем химической реакции. Гальванический элемент состоит из двух электродов, погруженных в раствор электролита. Электрод, на котором проходит процесс окисления, называется АНОДОМ, он заряжен отрицательно, а на КАТОДЕ (заряжен положительно) протекает восстановление.

В качестве электродов часто используют металлы, погруженные в раствор их собственной соли. В этом случае устанавливается равновесие М ^{n +} (раств.) + nе^- ¾® М (тв.) Каждый электрод характеризуется собственной величиной электродного потенциала, которая зависит от условий проведения реакции по уравнению Нернста:

Е (М^{+ n}/М) = Е° + (RT/nF) ln С_М+ (1)

где F – постоянная Фарадея, С_М+ − молярная концентрация ионов металла в растворе, n – число электронов, участвующих в элементарной реакции, R – универсальная газовая постоянная, Т − абсолютная температура, Е° − значение потенциала в стандартных условиях (относительно нормального водородного электрода).

На рис. 2. приведена схема гальванического элемента Якоби. Он состоит из цинкового электрода, опущенного в раствор сульфата цинка (1 М), и медного электрода в растворе сульфата меди (1 М). При соединении этих электродов в замкнутую цепь электроны с более отрицательно заряженного цинкового электрода будут двигаться к медному. Т.е., при работе гальванического элемента электрод с более высоким значением электродного потенциала выступает в качестве окислителя, а с более низким – восстановителя. На медном электроде будет протекать реакция осаждения меди:

Cu²⁺ (раств.) + 2е^- ¾® Cu (тв.),

Рис. 2. Схема элемента Якоби. а на цинковом – растворения цинка:

Zn (тв.) − 2е^- ¾® Zn²⁺ (раств.).

Итоговое уравнение процесса записывается как:

Zn + Cu²⁺ ¾® Zn²⁺ + Cu или Zn + CuSO₄ ¾® ZnSO₄ + Cu.

Максимальное напряжение гальванического элемента, отвечающее обратимому протеканию происходящей в нем химической реакции, называется ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛОЙ ЭЛЕМЕНТА (ЭДС) DЕ. ЭДС элемента есть разность двух электродных потенциалов, каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на данном электроде (рассчитывается по уравнению Нернста). Так, ЭДС элемента Якоби:

DЕ = Е(Cu²⁺/Cu) − Е(Zn²⁺/Zn) = Еº(Cu²⁺/Cu) − Еº(Zn²⁺/Zn) + (RT/nF) ln (С _Cu+2 / C _Zn+2),

где под логарифмом стоят концентрации ионов в степени, соответствующей стехиометрическому коэффициенту в уравнении реакции. Тогда при единичных концентрациях электролитов ЭДС элемента Якоби составляет:

DЕ = DЕº = 0,34 В − (−0,76 В) = 1,1 В.

Положительное значение ЭДС элемента является свидетельством того, что данная реакция может протекать самопроизвольно. По мере протекания реакции концентрации участвующих в ней веществ меняются, поэтому и ЭДС элемента будет уменьшаться. Когда ЭДС становится равной 0, система приходит к равновесному состоянию и ток в элементе исчезает. Константа равновесия рассчитывается по формуле:

ln K = (nF/RT) · DЕº. (2)

В случае элемента Якоби значение константы равновесия столь велико (1,7·10³⁷), что равновесное состояние оказывается не достижимым, и реакция в гальваническом элементе протекает до полного исчерпания исходных веществ.

3. ЭЛЕКТРОЛИЗ – совокупность процессов, протекающих при прохождении постоянного электрического тока от внешнего источника через систему, состоящую из 2 электродов и раствора электролита. Как и в гальваническом элементе, электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом, а на аноде протекает окисление.

Количественные характеристики процессов электролиза определяются ЗАКОНАМИ ФАРАДЕЯ: масса электролита, подвергшаяся превращению при электролизе, а также массы образующихся на электродах веществ прямо пропорциональны количеству электричества, прошедшего через раствор или расплав электролита, и эквивалентным массам веществ.

m = MIt / nF, (3)

где m − масса образовавшегося металла, М – молярная масса, I – сила тока (А), t – время (с), n – число электронов, участвующих в элементарной реакции, F – постоянная Фарадея.

Многие гальванические элементы можно превратить в электролизеры, если подать извне напряжение, превышающее по величине ЭДС данного элемента, и тем самым изменить направление химической реакции на противоположное.

Рис. 3.

На рис. 3. представлена компьютерная модель, используемая в данной работе. С помощью мыши в ней можно выбирать вид электродов, соединенных в гальваническом элементе. При этом в нижнем левом углу с помощью диаграммы отображаются электродные потенциалы данных электродов, а справа вверху высвечивается значение ЭДС полученного элемента (в стандартных условиях).

 

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

1. Выберите из списка нужный тип электрода. Типы электродов для каждого варианта приведены в таблице 1. Всего должно получиться 3 гальванических элемента с различными комбинациями электродов. С помощью левой клавиши мыши последовательно выставьте эти комбинации электродов на компьютерной модели.

 

ТАБЛИЦА 1. (не перерисовывать)