Химический практикум (стр. 13 )

Значения электродных потенциалов анода и катода определяется уравнением Нернста (при Т = 298 К):

, (1)

где 0 – стандартный потенциал электрода; n – заряд катиона (степень окисления металла); а – активность иона металла в растворе.

Активность является эффективной концентрацией. Активность электролита а связана с концентрацией С уравнением

а = ∙ С

где – коэффициент активности, который характеризует отличие свойств данного раствора от идеального раствора.

Зная электродные потенциалы, можно определить электродвижущую силу (ЭДС) гальванического элемента.

ЭДС гальванического элемента представляет собой разность электродных потенциалов катода и анода:

Е=кат - ан. , (2)

где Е – ЭДС гальванического элемента;кат – электродный потенциал катода;ан– электродный потенциал анода.

Подставив выражения потенциалов катода и анода из уравнения Нернста (1) в уравнение (2), получаем формулу для расчета ЭДС элемента в нестандартных условиях

, (3)

где Е0 – ЭДС элемента в стандартных условиях; аок – активность иона металла – окислителя; авос – активность ионов металла – восстановителя.

Если химическая токообразующая реакция в гальваническом элементе протекает обратимо, то связь между ЭДС (Е) и изменением энергии Гиббса (∆G) при постоянных температуре и давлении может быть выражена соотношением:

∆G = - nFЕ, (4)

где F – число Фарадея (F = 96500 Кл/моль).

ЭДС гальванического элемента можно с достаточно высокой точностью измерить экспериментально. На этом основан один из немногих методов экспериментального определения ∆G.

Используя значение энергии Гиббса, можно вычислить константу равновесия реакции, протекающей в гальваническом элементе, из следующего соотношений:

или

отсюда

При температуре 298 К

(5)

Рассмотрите вопросы:

1.  Что такое гальванический элемент?

2.  Что называется стандартным электродным потенциалом металла?

3.  Как изменяется окислительная и восстановительная способности в зависимости от электродного потенциала металла?

4.  Какие факторы влияют на величину электродного потенциала?

5.  Дать определение электродов: анод, катод.

6.  Какие гальванические элементы называются химическими?

7.  Какие константы и экспериментальные данные необходимо иметь, чтобы подсчитать электрическую работу, совершенную гальваническим элементом?

8.  Для гальванического элемента, работающего в обратимых условиях ЭДС при 298 К больше, чем при 273 К? Работает этот элемент с выделением или поглощением тепла?

9.  Что такое поляризация электродов? Как изменяются потенциалы анода и катода при этом?

10.  Рассмотреть работу гальванического элемента Н2 / Н2SO4 // AgNO3 /Ag. Рассчитать стандартную ЭДС элемента, стандартное значение энергии Гиббса и константу равновесия токообразующей реакции.

3.  Экспериментальная часть

Получив задание у преподавателя, собирают гальванический элемент в соответствии со схемой, приведенной на рис.10.1.

Рис.10.1. Схема гальванического элемента;

1,5 – электроды; 2,4 – сосуды с растворами;

3-солевой мостик (0,5 н раствор КNO3).

4.1.  В два сухих стаканчика налить 10–20 мл приготовленных

растворов электролитов. Стаканчики устанавливают в углубления блока подставки.

3.2. Накрыть стаканчики крышкой и в отверстия вставить соответствующие электроды.

3.3. Полуэлементы соединить солевым мостиком.

3.4.  Подключить гальванической элемент к иономеру и измерить ЭДС (Еэкспер). Записать экспериментальное значение в тетрадь.

3.5.  По окончании работы моют стаканчики, ополаскивают электроды, солевой мостик помещают в раствор нитрата калия.

Обработка опытных данных

1.  Записать схему гальванического элемента. Привести уравнения электродных и химической токообразующей реакции.

2.  Рассчитать активность растворов электролитов (а), коэффициенты активности приведены в таблице (см. приложение в конце работы).

3.  Рассчитать табличные значения стандартной ЭДС элемента (Е0табл) по стандартным значениям потенциалов электродов по уравнению (2).

4.  По экспериментально измеренному значению ЭДС (Еэксп) гальванического элемента, используя уравнение (3), вычислить опытные значения стандартной ЭДС элемента (Е0эксп.) и сравнить со значением Е0табл. Объяснить расхождение.

5.  По опытному значению стандартной ЭДС элемента (Е0эксп.) рассчитать изменение энергии Гиббса (∆G ) и константу равновесия () окислительно-восстановительной (токообразующей) реакции по уравнениям (4) и (5).

6.  Рассчитать изменение энергии Гиббса из термодинамических данных и сравнить с величиной ∆G, рассчитанной через ЭДС элемента (п.5.).

7.  Результаты измерений и рассчитанные данные представляют в форме протокола:

Активность ионов (аок), моль/л –

Активность ионов (авосс), моль/л –

–

Еэксп., В –

∆G, Дж –

Е0эксп., В –

Е0табл, В –

–

–

Результаты проведенных опытов показать преподавателю и сделать вывод к работе.

Типовой расчет

Пример. Экспериментальное значение ЭДС гальванического элемента Cd / CdSO4 // AgNO3 /Ag равно Еэксп=1,05 В. Рассмотреть работу элемента, рассчитать стандартное значение ЭДС Е0эксп (опытное), изменение энергии Гиббса ∆G2980 и константу равновесия К.

Концентрация раствора CdSO4 равна 1м, а AgNO3 – 0,1 м.

1.  Из таблицы электродных потенциалов находим, что

0Cd / Cd+2 = – 0,40 В, а 0Ag / Ag+ = + 0,799В.

Следовательно, кадмий будет отрицательным электродом в гальваническом элементе, а серебро – положительным.

е

 

А (–) Cd / CdSO4 // AgNO3 /Ag (+) К

Cd0 – 2е → Сd2+ Ag+ +1е → Ag +

восстановитель окислитель

окисление восстановление

Cd0 +2Ag+ = Cd2+ +2Ag0 уравнение токообразующей

Cd+2AgNO3= Cd (NO3)2 +2Ag } реакции

2. Рассчитаем активность растворов электролитов по формуле, а = ∙ с. Из таблицы находим (CdSO4) = 0,041, (AgNO3) = 0,734

авосст. = а (Сd2+) = 0,041∙ 1 = 0,041

аок = а (Ag+) = 0,734∙0,1= 0,0734

3.  Рассчитаем табличную стандартную э. д.с. Е0табл по уравнению (2).

Е0табл =0кат -0ан = 0Ag / Ag+ - 0Cd / Cd+2 = 0,799+ 0,40=1,199

4.  Из уравнения (3) находим Е0эксп

5. Рассчитаем ∆G2980 из уравнения (4):

∆G2980 = – nF Е0эксп = – 2∙96500 ∙1,0425= – 201142 Дж = – 201,142 кДж

6. Рассчитаем константу равновесия по уравнению (5)

∆G2980 = – RT ln или lg = n Е0эксп / 0,059

lg = 2 ∙ 1,0425 / 0,059 35 = 1035