Ряд напруги металів. Гальванічні елементи.

Лабораторна робота №13.

Мета роботи – ознайомити студентів з активністю металів, основними електрохімічними поняттями та процесами роботи гальванічних елементів.

ВИМОГИ ДО ЗНАНЬ ТА УМІНЬ

Студент повинен знати: виникнення стрибка потенціалів на кордоні розчин – електрод, теорію електродних потенціалів та методи їх виміру, анодні та катодні процеси під час роботи гальванічних елементів, визначення ЕДС гальванічних елементів.

Студент повинен вміти: використовуючи ряд напруги металів, правильно записувати рівняння реакції витіснення водню з кислоти активним металом; складати схеми гальванічних елементів та записувати рівняння реакцій, які йдуть на електродах; розраховувати значення електродних потенціалів за формулою Нернста; розраховувати ЕДС гальванічних елементів.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Кристалічна решітка метала складається з іонів цього металу, атомів та вільних електронів. Якщо покласти метал під вакуум, електрони почнуть виходити з кристалічної решітки. У результаті вакуум біля поверхні метала заряджається негативно, а метал від надлишку іонів – позитивно. При цьому на кордоні метал-вакуум утворюється подвійний електронний шар або стрибок потенціалу.

Зараз розглянемо, що зміниться, якщо занурити метал у воду або розчин його солі.

1. Якщо занурити металеву пластинку у воду, вона починає розчинятися, посилаючи свої гідратовані іони у воду. Внаслідок цього найближче коло розчину заряджається позитивно, а надлишок електронів заряджають метал негативно. І в цьому випадку також утворюється стрибок потенціалу.

Різниця електростатичних потенціалів на кордоні метал-розчин називається електродним потенціалом.

2. При зануренні металевої пластинки у розчин своєї солі з концентрацією іонів метала у цій солі такою, яку пластинка надавала б при розчиненні, тобто в момент занурення з металу буде виходити стільки ж іонів, скільки і повертатися. В цьому випадку потенціал металу буде дорівнювати нулю.

Електродний потенціал, який відповідає стану рівноваги, при якому швидкість перебігу іонів у розчин дорівнює швидкості зворотнього їх осадження, називається рівноважним потенціалом.

3. Якщо занурити металеву пластинку у насичений розчин своєї солі, то при цьому іони метала з розчину будуть “осаджуватися” на пластинку, заряджуючи її позитивно, а надлишок кислотного залишку зарядить розчин негативно. На кордоні метал-розчин утворюється різниця потенціалів або електродний потенціал.

Величина електродного потенціалу залежить від активності металу, концентрації його іонів у розчині та температури.

Електродний потенціал розраховується за формулою Нернста:

де Е₀ – стандартний електродний потенціал метала;

n – валентність іонів метала у розчині;

С – концентрація іонів метала у розчині (в г-іон/л).

Абсолютні значення потенціалів металів виміряти не вдається, тому вимірюють їх відносно водневого електроду.

Водневий електрод складається з платинової пластини, яка вкрита губчастою платиною. Електрод занурюють у розчин сірчаної кислоти, з концентрацією іонів водню 1 г-іон/л. Знизу електрод омивається струєю газоподібного водню під тиском 1 ат. Величину потенціалу такого електроду приймають за нуль.

Різниця потенціалів між металом зануреним у розчин своєї солі з концентрацією іонів металу 1 г - іон/л і водневим електродом, називається стандартним або нормальним потенціалом металу.

При розташуванні металів в ряд за алгебраїчною величиною їх нормальних електродних потенціалів, отримали назву “ряд напруги металів”.

Ряд напруги металів дає можливість зробити дуже важливі висновки:

- чим менш алгебраїчна величина стандартного електродного потенціалу, тим більша його хімічна активність;

- метали, які мають негативну величину стандартного електродного потенціалу, можуть видаляти водень з кислот;

- метал з меншою величиною стандартного електродного потенціалу здатний витискати з розчину солей метал з більшою алгебраїчною величиною стандартного електродного потенціалу;

-у гальванічному елементі анодом зветься більш активний метал, тобто стандартний електродний потенціал якого має меншу алгебраїчну величину.

ГАЛЬВАНІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ.

Гальванічні елементи - це прилади, в яких хімічна енергія окислювально-відновної реакції перетворюється в електричну.

Перший такий прилад був створено італійським фізиком - хіміком Вольта, потім вдосконалений російськими вченими Даніелем і Якобі. Їх гальванічний елемент складається з мідної та цинкової пластинок занурених у розчин своїх солей. Розчини розділені напівпроникнивною перетинкою. Якщо у зовнішній ланцюг увімкнути вольтметр, тоді ми виміряємо різницю електродних потенціалів або ЕДС елемента.

ЕДС = Е⁰_окисл. – Е_{відновн}_.

Схематично мідно-цинковий гальванічний елемент можна записати таким чином:

(-) Zn / ZnSO₄ // CuSO₄ /Cu (+).

ПАСПОРТ РОБОТИ

1.Хлористоводнева кислота, НСІ. 2.Сульфат міді, CuSO₄. 3.Сульфат цинку, ZnSO₄. 4.Сульфат алюмінію, АІ₂(SO₄)₃. 5.Сульфат заліза, FeSO₄. 6.Метали: цинк, алюміній, магній, залізо.

7.Цинкова пластинка, олов’яна пластинка, алюмінієвий дріт, залізний дріт (цвях). 8.Склянка об’ємом 250 мл. 9.Електроди: мідна, цинкова, алюмінієва, залізна пластинки. 10.Войлочний місток

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

Техніка безпеки.

При виконанні роботи треба пам’ятати, що ви працюєте з кислотами і отрутою – сульфат міді. Якщо кислота влучила на одяг або тіло, її треба негайно змити водою або слабим розчином соди.

Сульфат міді змивають водою.

Досліди проводять у пробірках, наливаючи до них 1-2 мл реактивів. Спостерігайте за проходженням реакції.

Дослід №1. Витискання водню з кислоти.

Отримайте водень дією хлористоводневої кислоти з металами.

Робоче місце №1. – цинком.

№2. - алюмінієм.

№3. - магнієм.

№4. – залізом.

Складіть рівняння реакцій у молекулярному та іонному вигляді.

Дослід №2. Витискання одних металів іншими.

У розчин з сульфатом міді занурюють:

Робоче місце №1. – цинкову пластинку,

№2. – алюмінієвий дріт,

№3. – залізний дріт (цвях),

№4. - олов’яну пластинку.

Складіть рівняння реакцій у молекулярному та іонному вигляді.

Дослід №3. Гальванічні елементи.

Нижче перелічені напівелементи з’єднайте войлочним містком, занурюючи його у розчин солей.

Металеві пластинки з’єднайте з вольтметром. Спостерігайте відхилення стрілки, яке свідчить про виникнення електричного струму.

Робоче місце №1. Мідну пластинку занурюють у 2,0 Н розчин сульфату міді, а цинкову – у 0,1 М розчин сульфату цинку.

Робоче місце №2. Мідяну пластинку занурюють у 2,0 Н розчин сульфату міді, а алюмінієву -–у 0,1 М розчин сульфату алюмінію.

Робоче місце №3. Мідяну пластинку занурюють у 2,0 Н розчин сульфату міді, а залізну – у 0,1 М розчин сульфату заліза.

Робоче місце №4. Цинкову пластинку занурюють у 2,0 М розчин сульфату цинку, а другу цинкову пластинку – у 0,001 М розчин сульфату цинку.

Складіть рівняння окислювально-відновних реакцій, які проходять на електродах. Розрахуйте ЕДС гальванічного елемента.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Як заряджується метал у вакуумі та воді?

2. Як обладнаний нормальний водневий електрод та чому дорівнює його електродний потенціал?

3. Як виникає подвійний електродний шар?

4. Що зветься електродним потенціалом?

5. Що зветься рівноважним потенціалом, від яких факторів він залежить?

6. Що таке стандартний (нормальний) електродний потенціал?

7. Що таке ряд напруги металів?

8. Як змінюється в ряді напруги відновлювальна та окислювальна активності металу?

9. Що зветься гальванічним елементом7

10. Які хімічні реакції проходять у гальванічних елементах:

а) у негативного електрода?

б) у позитивному електроді?

11. Як розрахувати ЕДС гальванічного елемента?

12. Чи можна зробити гальванічний елемент з одного і того самого металу?

13. Що таке концентраційний гальванічний елемент?

14. Що таке одноразовий гальванічний елемент?

Лабораторна робота №14.