Scopul lucrării: să cunoască experiența dependenței de proprietățile de oxidare-reducere a metalelor pe poziția lor în seria electrochimică de solicitări.
Echipamente și reactivi: tuburi de testare, suporturi pentru tuburi de testare, lămpi cu alcool, hârtie de filtru, pipete, 2N. soluții de HCI și H2S04. H2S04 concentrat. diluat și concentrat HNO3. Soluții 0,5M de CuS04. Pb (N03) 2 sau Pb (CH3COO) 2; bucăți de aluminiu metalic, zinc, fier, cupru, staniu, cleme de fier, apă distilată.
Natura chimica a unui metal se datoreaza in mare masura cat de usor este oxidat, i. E. cat de usor atomii sai sunt capabili sa treaca in starea de ioni pozitivi.
Metalele care prezintă o capacitate ușoară de a se oxida sunt numite ignorabile. Metalele, care sunt oxidate cu mare dificultate, sunt numite nobile.
Fiecare metal este caracterizat printr-o anumită valoare a potențialului electrodului standard. Pentru standardul potențial j 0 al electrodului metalic este preluat de celule electrochimice EMF compus din electrodul standard de hidrogen este situat în partea stângă, și o placă de metal plasată în soluția de sare metalică și activitatea (în soluții diluate se pot utiliza concentrația) a cationilor metalici în soluție trebuie Bat este egal cu 1 mol / l; T = 298 K; p = 1 atm. (condiții standard). În cazul în care condițiile de reacție sunt diferite de cele standard, trebuie să se țină seama de dependența potențialelor electrodului de concentrațiile (mai precis activitățile) ionilor metalici din soluție și de temperatură.
Dependența potențialelor electrodului de concentrație este exprimată prin ecuația Nernst, care este aplicată sistemului:
Poate fi scris în următoarea formă:
,
unde este potențialul electrodului standard V;
R este constanta de gaz;
F - Constanta Faraday (»96500 Cl / mol);
n este numărul de electroni care participă la proces;
aMe n + - activitatea ionilor metalici în soluție, mol / l.
Presupunând valoarea lui T = 298K, obținem
iar activitatea în soluțiile diluate poate fi înlocuită cu concentrația de ioni exprimată în mol / l.
Prin plasarea metalelor în ordinea cresterii magnitudinii potențialelor lor de electrod standard j 0, corespunzătoare jumătății de reacție a reducerii, se obțin un număr de tensiuni metalice (un număr de potențiale electrod standard). În același rând, potențialul electrodului standard al hidrogenului, luat ca zero, este plasat pentru sistemul în care se desfășoară procesul:
În acest caz, potențialul electrodului standard al metalelor de bază are o valoare negativă, iar potențialele nobile sunt pozitive.
Serii electrochimice de solicitări metalice
Această serie caracterizează capacitatea de reducere a oxidării a sistemului metalic metalic în soluții apoase în condiții standard. În picioare stânga în metal seria electrochimică (cea mai mică j 0), cu atât mai mult este un puternic agent reducător și mai ușor atomii de metal dona electroni, transformându-se în cationi, cationi de metal, dar mai dificil de a atașa electroni, transformându-se în atomi neutri.
Reacțiile redox care implică metale și cationi metalici sunt în direcția în care metalul cu un potențial de electrod inferior este un agent reducător (adică oxidat) și cationii metalici cu potențial de electrod mare - oxidanti (adică restaurat). În legătură cu aceasta, următoarele reguli sunt tipice seriei electrochimice de solicitări metalice:
1. fiecare metal deplasează din soluția de săruri toate celelalte metale care se află în partea dreaptă a acestuia în seriile electrochimice de solicitări metalice.
2. Toate metalele care, în seriile electrochimice de solicitări, sunt la stânga hidrogenului, deplasând hidrogenul din acizii diluanți.
Tehnica experimentelor
Experimentul 1: Interacțiunea metalelor cu acid clorhidric.
Se toarnă 2 - 3 ml de acid clorhidric în patru tuburi și se pune separat o bucată de aluminiu, zinc, fier și cupru. Care din metalele selectate înlocuiește hidrogenul din acid? Scrieți ecuațiile de reacție.
Experimentul 2: Interacțiunea metalelor cu acid sulfuric.
Puneți o bucată de fier în tub și adăugați 1 ml de 2N. acid sulfuric. Ce se observă? Repetați experimentul cu o bucată de cupru. Reacția are loc?
Verificați efectul acidului sulfuric concentrat asupra fierului și cuprului. Explicați observațiile. Scrieți toate ecuațiile reacțiilor.
Experimentul 3: Interacțiunea cuprului cu acidul azotic.
Puneți două tuburi de testare într-o bucată de cupru. Într-una dintre ele, se toarnă 2 ml de acid azotic diluat, al doilea concentrat. Dacă este necesar, încălziți conținutul tuburilor pe o lampă de tip spirtoase. Care gaz se formează în primul tub de testare și care din cel de-al doilea? Scrieți ecuațiile de reacție.
Experimentul 4: Interacțiunea metalelor cu săruri.
Se toarnă 2-3 ml de sulfat de cupru (II) în tubul de testare și se coboară o bucată de fir de fier. Ce se întâmplă? Repetați experimentul, înlocuind firul de fier cu o bucată de zinc. Scrieți ecuațiile de reacție. Se toarnă 2 ml de soluție de azotat de acetat sau plumb (II) în tub și se coboară o bucată de zinc. Ce se întâmplă? Scrieți ecuația reacției. Indicați agentul de oxidare și agentul de reducere. Reacția va continua dacă zincul va fi înlocuit cu cupru? Dă-mi o explicație.
11.3 Nivelul necesar de pregătire a studenților
1. Să cunoască conceptul de potențial electrod standard, să aibă o idee despre măsurarea acestuia.
2. Să poată utiliza ecuația Nernst pentru a determina potențialul electrodului în condiții diferite de cele standard.
3. Știi ce este o serie de stresuri metalice, ce caracterizează.
4. Pentru a putea utiliza un număr de metale tensiuni pentru a determina direcția reacțiilor redox care implică metale și cationi acestora, precum și metale și acizi.
Sarcini de auto-control
1. Ce masă de fier care conține 18% impurități tehnice este necesară pentru deplasarea soluției de sulfat de nichel (II) 7,42 g de nichel?
2. O placă de cupru de 28 g se coboară în soluția de azotat de argint la sfârșitul reacției, placa se îndepărtează, se spală, se usucă și se cântărește. Masa a fost de 32,52 g. Care a fost masa de azotat de argint in solutie?
3. Determinați valoarea potențialului de electrozi al cuprului scufundat în soluție de azotat de cupru (II) de 0,0005 M.
4. Potențialul de electrod al zincului scufundat într-o soluție 0,2 M de ZnS04. este egal cu 0,8 V. determină gradul aparent de disociere a ZnS04 într-o soluție a acestei concentrații.
5. Se calculează potențialul unui electrod de hidrogen, atunci când concentrația ionilor de hidrogen în soluție (H +) de 3,8 • 10 -3 mol / l.
6. Se calculează potențialul electrodului de fier căzut într-o soluție conținând 0,0699 g de FeCl2 în 0,5 litri.
7. Ce se numește potențialul electrodului standard al unui metal? Ce ecuație exprimă dependența potențialului electrodului de concentrație?
Lucrarea de laborator № 12
Obiectiv: Evaluarea experienței cu principiile celulei electrochimice, stapanind EMF metoda de calcul a celulelor electrochimice.
Echipamente și reactivi: plăci de cupru și zinc atașate conductorilor, plăci de cupru și zinc, conectate prin conductori cu plăci de cupru, șmirghel, voltmetru, 3 pahare chimice pentru 200-250 ml. măsurarea cilindru, un trepied în acesta U fix - țeavă în formă, soluția punte de sare de sulfat de cupru 0,1 M, sulfat de zinc, sulfat de sodiu, soluție de fenolftaleină 0,1% în 50% etanol.
Celula galvanică este o sursă chimică de curent, adică un dispozitiv care generează energie electrică ca urmare a conversiei directe a energiei chimice a reacției de reducere a oxidării.
Curentul electric (mișcarea direcționată a particulelor încărcate) este transmis de-a lungul conductorilor de curent care sunt împărțiți în conductori de primul și al doilea tip.
Conductorii de primul tip conduc un curent electric cu electronii lor (conductori electronici). Acestea includ toate metalele și aliajele lor, grafitul, cărbunele și, de asemenea, niște oxizi solizi. Conductivitatea electrică specifică a acestor conductoare este cuprinsă între 10 2 și 10 6 Ω -1 · cm -1 (de exemplu, cărbune - 200 Ω -1 · cm -1, argint 6 · 10 5 Ω -1 · cm -1).
Conductorii de al doilea tip conduc un curent electric cu ionii lor (conductori ionici). Ele sunt caracterizate de o conductivitate electrică scăzută (de exemplu, H2O - 4 • 10 -8 Ohm -1 • cm -1).
Atunci când o combinație de conductori de primul și al doilea tip este combinată, se formează un electrod. Acesta este cel mai adesea metal, a căzut într-o soluție de sare proprie.
Atunci când o placă metalică este scufundată în apă, atomii de metal din stratul său de suprafață sunt hidratați sub acțiunea moleculelor de apă polară. Ca urmare a hidratării și mișcării termice, legătura lor cu rețeaua de cristal este slăbită și un anumit număr de atomi trece sub forma de ioni hidratați în stratul lichid adiacent la suprafața metalică. Plăcuța metalică este încărcată în acest caz negativ:
Unde Me este atomul de metal; Me n + • n H2O este ionul metalic hidratat; e este un electron și n este încărcarea unui ion metalic.
Starea de echilibru depinde de activitatea metalului și de concentrația ionilor săi în soluție. În cazul metalelor reactive (Zn, Fe, Cd, Ni) interacțiunea cu molecule polare de separare a apei din suprafața de capăt a ionilor pozitivi și ioni metalici de tranziție într-o soluție hidratată (Fig. 1a). Acest proces este oxidativ. Pe măsură ce concentrația cationilor crește la suprafață, viteza procesului invers - reducerea ionilor metalici - crește. În cele din urmă, vitezele ambelor procese egalizează, se stabilește un echilibru, la care apare un strat dublu electric cu o valoare definită a potențialului metalic la interfața soluție-metal.
Fig. 1. Schema de apariție a potențialului electrodului
Când metalul nu cufundat în apă și în soluție de sare de metal echilibrul deplasează spre stânga, adică în direcția transferului de ioni din soluție la suprafața metalică. În acest caz, se stabilește un nou echilibru pentru o valoare diferită a potențialului metalic.
Pentru metalele inactive, concentrația de echilibru a ionilor metalici în apa pură este foarte mică. Dacă un astfel de metal este scufundat într-o soluție de sare, atunci cationii metalici vor fi eliberați din soluție la o viteză mai mare decât viteza de transfer de ioni din metal în soluție. În acest caz, suprafața metalului va primi o sarcină pozitivă, iar soluția - una negativă datorată unui exces de anioni de sare (Fig.1b).
Astfel, atunci când metalul este scufundat în apă sau într-o soluție care conține ioni de metal, un strat dublu electric este format având o anumită diferență de potențial la metal soluție suprafață fază. Potențialul electrodului depinde de natura metalului, de concentrația ionilor săi în soluție și de temperatura.
Valoarea absolută a potențialului electrod j al unui singur electrod nu poate fi determinată experimental. Cu toate acestea, este posibil să se măsoare diferența de potențial dintre doi electrozi diferiți chimic.
Am convenit să luăm potențialul electrodului hidrogen standard egal cu zero. Electrodul standard pe bază de hidrogen este o placă platină acoperită cu bureți platină scufundată într-o soluție acidă cu o activitate a ionilor de hidrogen de 1 mol / l. Electrodul este spălat cu hidrogen gazos la o presiune de 1 atm. și o temperatură de 298 K. Echilibrul este apoi stabilit:
Pentru standardul potențial j 0 al electrodului metalic este preluat EMF celulei, compus dintr-un electrod standard de hidrogen și o placă de metal plasată în soluția de sare metalică și activitatea (în soluții diluate se pot utiliza concentrația) a cationilor metalici în soluție trebuie să fie egală cu 1 mol / l ; T = 298 K; p = 1 atm. (condiții standard). Valoarea potențialului electrodului standard este întotdeauna menționată ca jumătate de reacție a reducerii:
Me n + + n e - → Me
Prin plasarea metalelor în ordinea cresterii magnitudinii potențialelor lor de electrod standard j 0, corespunzătoare jumătății de reacție a reducerii, se obțin un număr de tensiuni metalice (un număr de potențiale electrod standard). Potențialul electrodului standard al sistemului, luat ca zero, este plasat în același rând:
Dependența potențialului electrod al metalului j asupra temperaturii și concentrației (activității) este determinată de ecuația Nernst, care se aplică sistemului:
Poate fi scris în următoarea formă:
,
unde este potențialul electrodului standard V;
R este constanta de gaz;
F - Constanta Faraday (»96500 Cl / mol);
n este numărul de electroni care participă la proces;
aMe n + - activitatea ionilor metalici în soluție, mol / l.
Presupunând valoarea lui T = 298K, obținem
iar activitatea în soluțiile diluate poate fi înlocuită cu concentrația de ioni exprimată în mol / l.
EMF a oricărei celule galvanice poate fi definită ca diferența dintre potențialul electrodului catodului și anodului:
Polul negativ al elementului se numește un anod, este oxidat:
Me - ne - → Me n +
Polul pozitiv se numește catod, procesul de recuperare este pe el:
Elementul galvanic poate fi scris schematic, în timp ce se respectă anumite reguli:
1. Electrodul din stânga trebuie scris în secvența de metal-ion. Electrodul din dreapta este înregistrat în secvența ion-metal. (-) Zn / Zn2 + / Cu 2+ / Cu (+)
2. Reacția care se desfășoară pe electrodul stâng este înregistrată ca fiind oxidantă, iar reacția pe electrodul drept este la fel de redusă.
3. Dacă EMF al elementului este> 0, atunci funcționarea celulei va fi spontană. În cazul în care EMF <0, то самопроизвольно будет работать обратный гальванический элемент.
Metode de efectuare a experimentului
Experiență 1. Compoziția unei celule galvanice cupru-zinc
Obțineți echipamentul și reactivii necesari de la tehnicianul de laborator. Într-un pahar de 200 ml, se toarnă 100 ml de soluție de sulfat de cupru (II) 0,1 M și se coboară placa de cupru conectată la conductor. În cea de-a doua pahar, se toarnă același volum de soluție de sulfat de zinc 0,1 M și se coboară placa de zinc conectată la conductor. Plăcile trebuie șlefuite anterior cu șmirghel. Luați o punte de sare de la tehnicianul de laborator și conectați-i doi electroliți. Podul de sare este un tub de sticlă umplut cu gel (agar-agar), ambele capete fiind închise cu un tampon de bumbac. Podul este ținut într-o soluție apoasă saturată de sulfat de sodiu, în urma căreia se produce umflarea gelului, prezintă conductivitate ionică.
Folosind profesorul conecta un voltmetru la polii formați celulei electrochimice și se măsoară tensiunea (dacă măsurarea voltmetru cu rezistență mică, diferența dintre valoarea electromotoare și tensiunea este scăzută). Folosind ecuația Nernst, calculați valoarea teoretică a EMF a celulei galvanice. Tensiunea este mai mică decât EMF a celulei galvanice din cauza polarizării electrozilor și a pierderilor ohmice.
Experimentul 2. Electroliza soluției de sulfat de sodiu
În experiment, datorită energiei electrice produse de celula galvanică, se propune efectuarea electrolizei sulfatului de sodiu. În acest scop, U - tub în formă se toarnă o soluție de sulfat de sodiu și în locul ei ambii genunchi plăci de cupru, șmirghel stripată și conectate cu electrozii de cupru si zinc ale celulei electrochimice așa cum se arată în Fig. 2. Adăugați 2-3 picături de fenolftaleină pe fiecare cot al tubului în formă de U. După o perioadă de timp în spațiul catodic al celulei, soluția este colorată roz datorită formării de alcalii în timpul reducerii catodice a apei. Aceasta indică faptul că celula galvanică funcționează ca sursă de curent.
Scrieți ecuațiile proceselor care au loc pe catod și pe anod în timpul electrolizei unei soluții apoase de sulfat de sodiu.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: