Вариант 2. Определение потенциала электрода

В данной работе могут быть исследованы следующие электроды (варианты заданий):

1. Cu²⁺ Cu – электрод. Состоит из медной пластины, на 3/4 высоты погруженной в раствор CuSO₄ с концентрацией 0,001 – 0,5 М.

2. Zn²⁺ Zn – электрод. Состоит из цинковой пластины, на 3/4 высоты погруженной в раствор ZnSO₄ с концентрацией 0,001 – 0,5 М.

3. Ag⁺ Ag – электрод. Состоит из серебряного электрода, погруженного в раствор AgNO₃ объемом 25 – 30 мл с концентрацией 0,001 – 1 М.

4. I₂, I Pt - электрод. Состоит из платинового электрода, погруженного в окислительно – восстановительную систему, состоящую из раствора KI и растворенного кристаллического йода. Для приготовления системы смешивают а) 30 мл 0,1 М раствора KI и 3 мл 0,1 М раствора I₂; б) 25 мл 0,1 М раствора KI и 5 мл 0,1 М раствора I₂.

5. Fe³⁺, Fe²⁺ | Pt - электрод. Состоит из платинового электрода, погруженного в окислительно – восстановительную систему, состоящую из смеси ионов Fe³⁺ и Fe²⁺. Для этого используют растворы 0,001 М Fe(NH₄)(SO₄)₂ (железо – аммонийных квасцов и 0,1 М FeSO₄·(NH₄)₂SO₄∙6H₂О (cоли Мора) или растворы 0,001 М Fe₂(SO₄)₃ и 0,1 М FeSO₄ в 0,5н. серной кислоте. Систему готовят, смешивая равные объемы (по 15 мл) растворов, содержащих Fe³⁺ и Fe²⁺.

6. H⁺, MnO^-₄, Mn²⁺ | Pt - электрод. Состоит из платинового электрода, погруженного в окислительно – восстановительную систему, состоящую из KMnO₄ и раствора MnSO₄. Для приготовления системы смешивают 25 мл 0,1 М раствора KMnO₄ с 5 мл 0,001 М раствора MnSO₄ и подкисляют 1 – 5 каплями концентрированной серной кислоты.

7. H⁺, Cr₂O₇^2-, Cr³⁺ | Pt - электрод. Состоит из платинового электрода, погруженного в смесь растворов K₂Cr₂O₇ и Cr₂(SO₄)₃ или хромовых квасцов (хромоаммониевых Cr₂(SO₄)₃∙(NH₄)₂SO₄∙24H₂O или хромокалиевых Cr₂(SO₄)₃∙K₂SO₄∙24H₂O). Для приготовления системы смешивают 25 мл 0,1 М K₂CrO₄ с 5 мл 0,001 М раствора хромовых квасцов и подкисляют 1 – 5 каплями концентрированной серной кислоты.

2.2. В Ы П О Л Н Е Н И Е Р А Б О Т Ы

2.2.1. Приготовьте исследуемый электрод (задание выдается преподавателем).

Медный или цинковый электрод зачистите наждачной бумагой, промойте водопроводной водой, ополосните дистиллированной водой, просушите фильтровальной бумагой. Серебряный электрод на 1 – 2 с, а платиновый на 1 – 2 мин погрузите в разбавленный раствор HNO₃, промойте водопроводной водой, ополосните дистиллированной водой, просушите фильтровальной бумагой. Затем электрод погрузите в стакан с раствором электролита или электролитов в соответствии с вариантом задания.

2.2.2. Приготовьте электрод сравнения. Промойте хлорид–серебряный или каломельный электрод дистиллированной водой и погрузите в стакан с насыщенным раствором KCl объемом 25 – 30 мл.

2.2.3. Приготовьте солевой мост. Для этого залейте насыщенный раствор KCl в стеклянную П – образную трубку, концы которой затем плотно закройте предварительно смоченными в KCl жгутиками из фильтровальной бумаги. Проследите, чтобы в трубке не было пузырьков воздуха. Если для исследования выбран Ag⁺ | Ag – электрод, то солевой мост заполните насыщенным раствором KNO₃.

2.2.4.Составьте электрохимический элемент. Для этого один конец солевого моста погрузите в раствор электролита исследуемого электрода, а другой – в раствор KCl электрода сравнения.

2.2.5. Определите, какой из электродов в электрохимической элементе является отрицательным, а какой – положительным. Для этого из справочной таблицы [ ] выпишите величины стандартных потенциалов электродов и сравните их.

2.2.6. Измерьте ЭДС электрохимического элемента компенсационным методом (см. п. 2.1.2., 2.1.3.).

3.2. О Б Р А Б О Т К А Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Х

Д А Н Н Ы Х

3.2.1. Запишите схему электрохимического элемента, электронные уравнения процессов, протекающих на электродах, суммарную токообразующую реакцию, протекающую в элементе.

3.2.2. Определите экспериментальное значение потенциала исследуемого электрода Е_Э по измеренной величине ЭДС Е по формуле:

Е_Э = Е + Е_СР,

если исследуемый электрод играл роль положительного электрода в электрохимическом элементе или по формуле:

Е_Э = Е_СР – Е,

если исследуемый электрод играл роль отрицательного электрода в электрохимической элементе.

Потенциал электрода сравнения Е_СР в насыщенном растворе KCl принять:

• для хлорид–серебряного +0,196 В,

• для каломельного +0,242 В.

3.2.3. Рассчитайте потенциал исследуемого электрода Е_Р по уравнению Нернста при температуре опыта (см. теоретическое введение):

Величины стандартных электродных потенциалов исследуемых электродов Е⁰ возьмите из справочных таблиц [ ].

Примите активности ионов металлов а(Ме^Z+) равной средней активности соли металла а_(МеА), молярные концентрации солей равными моляльным. Средние коэффициенты активностей солей _(МеА) возьмите из справочных таблиц [ ].

Для электродов варианта 4 – 7 активности окисленной а₀ и восстановленной а_R форм веществ, участвующих в электродных реакциях, примите равными молярным концентрациям электролитов с учетом разбавления растворов при смешивании заданных объемов исходных растворов электролитов.

Примите активность ионов Н⁺ (варианты 6 – 7) равной концентрации; средний объем одной капли – 0,05 мл; концентрацию исходного концентрированного раствора H₂SO₄ – 17 моль/л.

Молярную концентрацию электролита В С_М(В) после разбавления рассчитайте по формуле:

,

где (В) – исходная молярная концентрация электролита (В);

V´(В) – исходный объем раствора электролита В;

V_Р – общий объем раствора после смешивания.

3.2.4. Рассчитайте погрешность  (%), сравнив экспериментальную Е_Э и расчетную Е_Р величины потенциала исследуемого электрода по формуле:



4. В Ы В О Д Ы П О Р А Б О Т Е

4.1. Укажите типы электродов и типы электрохимических элементов, использованных в 1 и 2 вариантах работы, по всем классификационным признакам.

4.2. Объясните, почему ЭДС электрохимического элемента измеряют компенсационным методом.

4.3. Проанализируйте полученные значения погрешностей при измерении ЭДС элемента Даниэля - Якоби и определении потенциала электрода и укажите возможные источники погрешности.

5. К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы

1. Что понимают под термином «электрод» в электрохимии?

2. Что называют условным электродным потенциалом?

3. Что называют стандартным равновесным электродным потенциалом?

4. Как рассчитывают равновесный электродный потенциал?

5. Какие электроды относят к электродам I рода, II рода, III рода, газовым, окислительно-восстановительным? Как записывается уравнение Нернста для каждого типа электрода?

6. Какие электроды используют в качестве электродов сравнения? Почему?

7. Какая разница между концентрацией раствора и ее активностью? Когда эти понятия тождественны?

8. Что такое коэффициент активности и какова его связь с концентрацией раствора?

9. Что называют электрохимическим (гальваническим) элементом? Какие процессы в них протекают?

10. Как определить (оценить) знак заряда электрода в электрохимическом элементе?

11. По каким признакам классифицируют электрохимические элементы?

12. Какие электрохимические элементы называют химическими и концентрационными; с переносом ионов и без переноса ионов; с растворами двух электролитов и раствором одного электролита?

13. Что называют электродвижущей силой элемента и как ее определяют?

14. В чем сущность компенсационного метода измерения ЭДС?

15. Для чего применяют нормальный элемент Вестона? Его устройство?

16. С какой целью ставят солевой мост на границе между растворами в электрохимическом элементе?

17. Какой метод исследования называют потенциометрией?

18. Какие физико-химические характеристики электролитов можно определять потенциометрическим методом?

19. Какие термодинамические функции и физико-химические характеристики определяют для реакции, протекающей в электрохимическом элементе, методом потенциометрии?

20. Укажите, где еще используют метод потенциометрии?