Лабораторна робота № 7

Електрорушійна сила (ЕРС) гальванічного елементу.

Мета роботи: вивчення будови, властивостей та можливостей використання гальванічного елементу

Гальванічній елемент – це пристрій, у якому енергія хімічної реакції перетворюється в електричний струм. Проте гальванічні елементи використовуються не тільки як хімічні джерела струму. У лабораторній практиці часто застосовують потенціометричний метод дослідження, заснований на вимірі ЕРС певних елементів, для визначення концентрації, кислотності і так далі (див. механізм електрохімічної корозії металів.)

Зміст роботи

1. При виміру ЕРС необхідно зберігати рівноважне значення потенціалів, тому в зовнішньому ланцюзі повинен бути відсутнім електричний струм. Для виміру ЕРС звичайно використовується компенсаційна схема (див.мал.)

Принцип виміру ЕРС компенсаційним методом полягає в тому, що досліджувана ЕРС компенсується напругою від акумулятора, що подається їй назустріч. Для цього клеми акумулятора підключаються до кінців дротового опору АВ. Клеми гальванічного елемента підключаються на відрізок того ж опору (АК), довжину якого можна змінювати, переміщуючи рухливий контакт К. При цьому потрібно стежити за правильністю підключення клем: у точці А виводяться однойменні клеми зовнішнього джерела (акумулятора) і гальванічного елемента. ЕРС акумулятора повинна бути більше, ніж ЕРС_х. Тоді при деякому положенні контакту К напруга, створювана акумулятором на кінцях цієї ділянки, виявиться рівним по величині ЕРС і компенсує її. Включений у ланцюг гальванометр (Г) покаже при цьому відсутність струму. При компенсації справедливо таке співвідношення:

ЕРС _{ак =} АВ

ЕРС_х АК

Підбирати потрібний відрізок АК слід, замикаючи ланцюг на короткі миті за допомогою телеграфного ключу Т (щоб уникнути електролізу).

2. Зібравши компенсаційну схему, перший вимір проводять не з досліджуваним елементом, а з гальванічним елементом із точно відомої ЕРС. Це необхідно для визначення ЕРС акумулятора, що не являється постійною величиною. У якості еталона електрорушійних сил використовується ртутно-кадмієвий елемент Вестона, (ЕРС_в) дуже постійна: ЕРС_в =1,018В. Домігшись компенсації при деякий позиції рухливого контакту (АК), обчисляють ЕРС акумулятора: ЕРС _{ак =} 1,018 АВ

АК

3.Складається гальванічний мідно-цинковий елемент: у стаканчики з розчинами СuSO₄ та ZnSO₄ занурюються відповідно мідна і цинкова пластинка, і розчини з’єднуються сольовим містком. Умовний запис елемента робиться в такий спосіб: починаючи з анода вказують послідовно усі тверді і рідкі фази, межі між ними позначаються вертикальною рисою, а сольовий місток – двома вертикальними рисами: (-)Zn|ZnSO₄||CuSO₄|Cu(+).

Вказують концентрацію узятих розчинів солей (С₁ і С₂). Концентрації беруться за вказівкою викладача, наприклад 1 н CuSO₄ та 1 н ZnSO₄; 1 н CuSO₄ та 0,1 н ZnSO₄; 0,1 н CuSO₄ та 1 н ZnSO₄.

Гальванічний елемент підключають у компенсаційну схему, пересовуючи контакт, домагаються компенсації й обчисляють ЕРС по формулі: ЕРС_х = ЕРС_ак АК

АВ

Повторюють виміри й обчисляють ЕРС_х при різних концентраціях солей.

4.Для визначення відносного потенціалу цинку збирають гальванічний елемент із цинкового напівелементу з 0,1 М розчином (або 1 М розчином) і електрода порівняння, наприклад, каломельного. Умовний запис елементу: (-)Zn|ZnSO₄||KCI+Hg₂CI₂|Hg(+). Компенсаційним методом вимірюють ЕРС_х цього елемента. Знайдене значення дорівнюють різниці потенціалів: ЕРС_х = Е_кл – Е_Zn. Оскільки Е_кл = +0,244 В, Е_Zn =0,244- ЕРС_х.

Завдання для самостійної роботи. Вивчити теоретичний матеріал за темою, підготувати відповіді на контрольні питання.

Контрольні питання:

1.Який механізм виникнення електродного потенціалу для металів різноманітної природи?

2.Що таке електродна реакція і яка вона для електродів першого роду?

3Яким рівнянням виражається залежність рівноважного електродного потенціалу від природи металу і концентрації іонів?

4.Мідна пластина знаходиться в розчині солей CuSO₄ і K₂SO₄. Від концентрації яких іонів залежить потенціал міді відповідно до рівняння Нернста?

5.Що таке нормальний потенціал?

6.Чи можна виміряти потенціал φ?

7.Як складається гальванічний елемент?

8.Що таке електрорушійна сила (ЕРС) елемента? Який її знак?

9.Що таке катод? Анод?

10.Чому в гальванічній парі роль анода виконує той метал, що має більш високу хімічну активність?

11.Чому при розімкнутому зовнішньому ланцюзі рівновага на електродах не порушується?

12.Які процеси протікають на катоді й аноді при замиканні зовнішнього ланцюга?

13.Чому гальванічні елементи називають хімічними джерелами струму?

14.Що таке відносний потенціал?

15.Як улаштований водневий електрод (напівелемент)? Яка електродна реакція водневого електрода? У якому випадку потенціал водневого електрода являється нормальним і чому дорівнюють його величина?

16.Що означає знак і величина потенціалу електрода, вираженого по водневій шкалі?

17.Що таке електроди порівняння і для чого їх використовують?

18.У чому полягає компенсаційний метод виміру ЕРС?

19.Для якої мети служить елемент Вестона?

20.Як можна експериментально знайти відносний потенціал електрода?