Лабораторна робота 4 в изначення ерс гальванічного елемента і електродних потенціалів Загальні теоретичні відомості

Якщо метал занурити в розчин, який містить іони цього металу, то між металом та іонами встановлюється рівновага:

Ме^z+ + ze = Mе,

унаслідок якої між металом та розчином виникає різниця потенціалів.

Система з двох електродів, занурених у розчини електролітів, яка дає змогу перетворювати хімічну енергію в електричну, називається гальванічним елементом.

Порядок запису схем гальванічних кіл полягає ось у чому: усі фази записуються послідовно, вертикальною рискою позначаються поверхні поділу між ними; негативний електрод записується ліворуч, позитивний — праворуч. Наприклад, елемент Даніеля—Якобі, який складається з мідного і цинкового електродів у розчинах сульфату міді і цинку, записують так:

(–) ZnZnSO₄CuSO₄Cu (+).

Під час роботи такого елемента на електродах відбуваються реакції:

Zn – 2e = Zn²⁺,

Cu²⁺ + 2e = Cu.

За рахунок сумарної хімічної реакції:

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu або Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu, виникає електрорушійна сила (ЕРС) елемента Якобі.

Електрорушійною силою гальванічного елемента називається різниця потенціалів між електродами елемента.

Виміряти потенціал електрода  відносно розчину неможливо, можна лише виміряти різницю потенціалів двох електродів, тобто ЕРС гальванічного елемента Е = ₂ – ₁. Тому під електродним потенціалом розуміють ЕРС елемента, що складається з даного електрода і стандартного водневого електрода, потенціал якого умовно вважають нульовим.

Стандартний водневий електрод являє собою платинову пластину, занурену в розчин з активністю водневих іонів, яка дорівнює одиниці; пластина омивається струменем газоподібного водню під тиском 1 атм. Робота такого електрода ґрунтується на реакції:

Н⁺ + е = 1/2 Н₂.

За рівнянням Нернста електродний потенціал металу в розчині

де R — універсальна газова стала; z — кількість електронів у рівнянні електрод­ної реакції; F — число Фарадея; а₊ — активність іонів металу; ⁰ — стандартний електродний потенціал (потенціал при а₊ = 1).

Активність іонів металу пов’язана з їхньою моляльною концентрацією співвідношенням:

а = С_,

де _ — середній коефіцієнт активності електроліту, який залежить від концентрації розчину і для дуже розведених розчинів дорівнює одиниці.

Для стандартної температури 298 К рівняння Нернста набирає вигляду

 = ⁰ +

У лабораторній практиці при вимірюванні електродних потенціалів замість водневого користуються більш зручним каломельним електродом порівняння. Він складається із ртуті, вкритої пастою із каломелі, у розчині хлориду калію: КСlHg₂Cl₂, Hg. Потенціал нормального каломельного електрода (у разі концентрації КСl 1 моль/л) при 20 С дорівнює 0,284 В, при 25 С — 0,283 В.

Для вимірювання потенціалу будь-якого електрода його з’єднують із каломельним електродом, вимірюють ЕРС утвореного елемента і, знаючи потенціал каломельного електрода, розраховують потенціал досліджуваного електрода.

При вимірюваннях ЕРС як еталон застосовують нормальний елемент Вестона:

Cd(Hg)  CdSO_{4(насич)}  Hg₂SO₄, Hg.

ЕРС елемента Вестона характеризується сталістю в часі і малим температурним коефіцієнтом: при 20 С Е = 1,0183 В, при 25 С Е = 1,0181 В.

Для вимірювання ЕРС застосовується компенсаційний метод, принцип якого полягає в тому, що ЕРС досліджуваного елемента врівноважується відомою різницею потенціалів. Компенсаційну схему зображено на рис. 1.

Рис. 1. Принципова схема потенціометра

Обидва елементи (Е_н — нормальний елемент Вестона і Ех — досліджуваний елемент) та акумулятор (Е_А) підімкнено до кінця А опору АВ однаковими полюсами. Перемикачем К вмикають у бічне коло нормальний елемент і знаходять таке положення рухомого контакту С, при якому струм через елемент не проходить (стрілка гальванометра G показує 0).

Далі вмикають досліджуваний елемент і аналогічно знаходять точку компенсації С₁. Тоді виконується рівність

звідки, знаючи опори і ЕРС нормального елемента Е_н, можна визначити ЕРС досліджуваного елемента Е_х.

Прилади для вимірювання ЕРС компенсаційним методом називаються потен­ціометрами. До клем на панелі потенціометра підмикаються акумулятор, елемент Вестона, досліджуваний елемент і гальванометр; покази потенціометра безпосередньо визначають значення вимірюваної ЕРС.