Контрольні питання і завдання

1.Які реакції звуться окисно-відновними?

2.Яка речовина, що приймає участь у окисно-відновній реакції зветься окисником, а яка відновником?

3.Що таке окисно-відновна пара?

4.Як впливає величина окисно-відновного потенціалу редокс пари на силу її окисної і відновної форм?

5.Які з приведених нижче рівнянь реакцій є окисно-відновними? Вкажіть в них окисник і відновник. Відповідь мотивуйте.

2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O

2NaBr + 2H₂SO₄ = Br₂ + Na₂SO₄ + SO₂ + 2H₂O

PBr₃ + 3H₂О = 3HBr + H₃PO₃

CaО + H₂O = Cа(OH)₂

Mn(OH)₂ + 2HCl = MnCl₂ + 2H₂O

MnО₂ + 4HCl = MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O

2. Які з зазначених речовин можуть виявляти тільки окисні властивості?

HClО₄, KClО₃, NaBr, Fe

CaCl₂, FeCl₂, Cl₂, PH₃

TіО₂, Na₂S, S, Cu

3. Підібрати коефіцієнти в наступних окисно-відновних реакціях і вказати окисники і відновники:

H₂S + HNO₃ = H₂SO₄ + NO + H₂O

H₂S + Cl₂ + H₂O = H₂SO₄ + HCl

Zn + H₂SO₄(конц.) = H₂S + ZnSO₄ + H₂O

FeCl₂ + KNO₃ + HCl = FeCl₃ + NO + KCl + H₂O

Mn₂O₇ + Cr₂O₃ = CrО₃ + MnО

Mn(NO₃)₂+ PbО₂ + HNO₃ = HMnО₄ + Pb(NO₃)₂ + H₂O

KClО₃ = KClО₄ + KCl.

10.Лабораторна робота № 7

„Вимірювання електрорушійної сили гальванічного елементу”

Мета роботи: Ознайомитися з теоретичними основами роботи гальванічного елементу, виміряти електрорушійну силу (ЕРС) гальванічного елементу і визначити електродні потенціали окремих електродів, з яких складається цей елемент.

1. Теоретичні основи: Процеси взаємного перетворення електричної енергії у хімічну і навпаки звуть електрохімічними процесами. Їх можливо розділити на дві групи:

1.Процеси перетворення хімічної енергії у електричну(гальванічні елементи)

2. Процеси перетворення електричної енергії у хімічну(електроліз).

Процеси як першої, так і другої груп засновані на окисно-відновних реакціях, які супроводжуються переносом електронів від одних елементів до інших і зміною ступеню окислення відповідних елементів.

1.1. Гальванічні елементи. Пристрій для отримання електричної енергії за рахунок електрохімічної реакції зветься електрохімічним(гальванічним) елементом, або хімічним джерелом струму(ХДС). Найпростіший елемент складається з двох металевих електродів(провідників першого роду) занурених у розчин електроліту(провідник другого роду). Прикладом такого елементу є елемент Даніеля-Якобі(рисунок 7.1). Він складається з двох електродів – цинкового і мідного, які занурені у розчини своїх солей. Для запобігання прямого контакту окисника і відновника, розчини розділені пористою мембраною, або трубкою, яка заповнена електролітом – електролітичний ключ.

Рисунок 7.1 – Схема гальванічного елементу.

При роботі такого елементу на електродах перебігають реакції:

На аноді – реакція окислення(анодний процес): Zn – 2e = Zn²⁺

На катоді – реакція відновлення(катодний процес): Cu²⁺ + 2e = Cu

Сумарне рівняння реакції, що перебігає: Zn + Cu²⁺ Cu + Zn²⁺.

Зазвичай гальванічний елемент зображують схематично:

- Zn I Zn²⁺ II Cu²⁺ I Cu +

Однією рискою зображують межу розділу провідник першого роду – провідник другого роду, а подвійною – межу розділу між провідниками другого роду(якщо вони з’єднуються електролітичним містком). Електрорушійна сила гальванічного елементу вважається позитивною(ЕРС за фізичним змістом є позитивною величиною, оскільки вона відповідає певному довільному процесу, що дає позитивну роботу), якщо при роботі елемента електрони у зовнішньому колі проходять від електрода, записаного зліва до електрода, записаного праворуч.

Найважливішою характеристикою електрохімічного елементу є його електрорушійна сила(ЕРС) Е – різниця потенціалів розімкнутого елементу, тобто різниця потенціалів між кінцями провідників першого роду з одного і того ж матеріалу, приєднаних до електродів гальванічного елементу. ЕРС являє собою різницю потенціалів в умовах рівноваги, коли в елементі не проходить електричний струм. Якщо замкнути електроди, то у колі буде проходити електричний струм, і різниця потенціалів являє собою напругу електрохімічного елементу, відмінну від ЕРС на величину падіння напруги на внутрішньому опорі елементу.

Тоді для гальванічного елементу можна записати:

Е = Е_к - Е_а.

Рівняння для потенціалу окремого електроду:

Е = ,

звичайно називають рівнянням Нернста для електродного потенціалу.

Виміряти або розрахувати потенціал окремого електроду неможливо, але можливо визначити ЕРС гальванічного елементу одним з електродів якого є той що досліджується, а іншим відповідний електрод порівняння. ЕРС такого елемента визначають як електродний потенціал. Електродом порівняння зазвичай використовують стандартний водневий електрод, потенціал якого при 25⁰С, активності іонів Гідрогену 1 моль/л і тиску Гідрогену 1,013 *10⁵ Па(1атм) прийнятий рівним Е⁰ = 0 В(рис. 7.2). Він являє собою платинову пластину, яка покрита платиновою черню, і яка насичується очищеним і осушеним воднем.

Рис. 7.2 - Стандартний водневий електрод

Якщо активність іонів у розчині, що досліджується, дорівнює одиниці, то ЕРС такого кола дорівнює стандартному потенціалу цього електроду. Таким чином стандартний електродний потенціал вимірюють по відношенню до електродних процесів:

Meⁿ⁺ + ne + Me⁰, E⁰_Me

2H⁺ + 2e =H₂, E⁰_2H/H2 = 0

Практично використовувати стандартний водневий електрод в якості електроду порівняння не зручно, тому найбільш важливим у практиці є хлорид срібний електрод порівняння. Потенціал хлорид срібного електроду постійний і дорівнює +0,22 В відповідно до стандартного водневого електроду.

1.2.Вимірювання ЕРС гальванічного елементу. Визначення електрорушійної сили гальванічного елементу може бути здійснено з достатньою точністю, або компенсаційним методом або за допомогою високоомних перетворювачів. Це пов'язано з тим, що через розчин не повинен текти електричний струм, щоб не змінювалася концентрація аналізуємої речовини внаслідок електролізу.

У лабораторній роботі для вимірювання ЕРС використовується іономір ЕВ – 74, який застосовується для виміру напруги і має шкалу градуйовану в мілівольтах.

2. Обладнання і реактиви:

1.Іономір ЕВ - 74.

2.Мідний і цинковий електроди з комірками для розчинів електроліту.

3.Розчин CuSO₄ 1М.

4. 1М розчин ZnSO₄.

5.Хлор срібний електрод порівняння.

6.Насичений розчин KCl.

6.Стакан на 50 мл для насиченого розчину KCl.

3. Порядок виконання роботи. Лабораторна робота виконується у наступній послідовності:

3.1.Виміряти електродні потенціали мідного і цинкового електродів. Для цього:

3.1.1.Заповнити комірки розчинами CuSO₄ і ZnSO₄ слідкуючи за тим, щоб бокова трубка посудини також була заповнена розчином. Потім занурити у кожну комірку металеву пластинку з відповідного металу.

3.1.2.Обидва електроди боковими трубками занурити у стакан із насиченим розчином .

3.1.3.В цей стакан також занурити хлор срібний насичений електрод порівняння, потенціал якого при 25 С дорівнює 0,22В.

3.1.4.Для визначення електродного потенціалу міді скласти коло:

і виміряти його е.р.с.

3.1.5.Для визначення електродного потенціалу цинку скласти коло:

і виміряти його е.р.с.

3.1.6.Експериментальні електродні потенціали відповідних електродів розрахувати за рівнянням Е = Е_к - Е_а. і занести у таблицю.

3.1.7.Теоретичні значення електродних потенціалів міді і цинку розрахувати за рівнянням Нернста Е = , використовуючи замість активності іонів їх концентрацію, і занести у таблицю.

3.2.Скласти гальванічний елемент з двох півелементів (електродів) мідного і цинкового. Отримане електрохімічне коло відповідає схемі:

.

Провести вимірювання е.р.с. досліджуваного елементу і записати його значення у таблицю 7.1.

Таблиця 7.1 - Таблиця спостережень

Схема гальванічного елементу	Концент рація розчинів	ЕРС, мВ	Електродний потенціал
			Експерімен тальний	Теорет ичний

4.Скласти звіт про роботу, який повинен мати:

1. Теоретичні основи роботи гальванічного елементу.

2. Схему для вимірювання електропровідності розчинів.

3. Результати визначення ЕРС відповідних гальванічних елементів.

4. Таблицю спостережень.

5. Розрахунки експериментальних і теоретичних значень електродних потенціалів і ЕРС гальванічного елементу.