8.4.6. Лабораторная работа: Гальванический элемент

Цель работы: определение ЭДС гальванических элементов и расчет работы, изменения свободной энергии Гиббса и константы равновесия реакций, протекающих в гальванических элементах.

Приборы и реактивы: Милливольтметр. U – образный электролитический мостик, заполненный насыщенным раствором хлорида калия. Химические стаканы. Пробирки. Пластинки меди, цинка, железа (можно проволоку). Растворы: сульфата меди (1М), сульфата цинка (1 М; 0,1 М; 0,01 М), сульфата железа (II) (1 М), хлорида олова (II), (1 М), хлорида кадмия (1 М), нитрата серебра (1 М).

Опыт 1. Сравнительная активность металлов

В пробирки налить по 1 мл растворов солей цинка, железа (II), кадмия, олова (II), меди (II), свинца (II) и серебра (I). Поочередно опускать в растворы полоски цинка, очищенные железные и медные проволоки. Какие металлы может вытеснять цинк, железо, медь? Заполнить таблицу, поставив «+» под каждым металлом, который вытесняется из раствора его соли цинком, железом, медью.

Соли	Zn2+	Fe2+	Cd2+	Sn2+	Cu2+	Ag+	Pb2+
Металл Zn
Металл Fe
Металл Cu

Расположить испытуемые металлы по активности в ряд и сравнить их расположение с положением в ряду напряжений. Написать уравнения реакций. Для реакций взаимодействия железа с солями цинка (II) и меди (II) рассчитать G и указать направленность процессов.

Опыт 2. Измерение ЭДС гальванического элемента и определение ∆G в окислительно-восстановительной реакции

В два стакана налить равные объемы 1 М растворов сульфата цинка и сульфата меди (II). Растворы соединить жидкостным мостиком, заполненным насыщенным раствором хлорида калия в смеси с агар-агаром. Пластинки меди и цинка опустить в растворы ZnSO₄ и CuSO₄ соответственно. Проволочки от меди и цинка присоединить к милливольтметру. Измерить ЭДС после установления стационарного значения напряжения по шкале прибора. Записать схему гальванического элемента, написать реакции, идущие на электродах, указать анод и катод. Указать направление перехода электронов во внешней цепи, а ионов - во внутренней. Рассчитать теоретическое значение ЭДС с учетом концентрации электролита и сравнить ее с измеренной. Рассчитать G источника тока и сделать вывод о возможности его работы с термодинамической точки зрения.

Опыт 3. Исследование зависимости ЭДС гальванического элемента от концентрации соли

Работу проводят с медно-цинковым гальваническим элементом (см. опыт 2).

В стакан налить 20 мл 1 М раствора сульфата меди, концентрация которого в ходе измерений не изменяется. В остальные стаканы налить растворы сульфата цинка в порядке возрастания концентрации (0,01, 0,1 и 1 М). В раствор сульфата меди опустить медный электрод, цинковый электрод опустить в раствор сульфата цинка наименьшей концентрации. Полуэлементы соединить солевым мостиком и измерить ЭДС гальванического элемента с помощью милливольтметра.

Не отключая милливольтметр, перенести цинковый электрод в 0,1 М раствор сульфата цинка и снова измерить ЭДС, затем то же проделать с 1 М раствором ZnSO₄.

Результаты измерений и рассчитанные значения записать в таблицу по форме:

cCu , моль/л	cZn , моль/л	∆Eэксп., В	∆Gэксп., В	∆Eтеор., В	∆Gтеор., В	Погреш-ность, %
1	1 0,1 0,01

В какой мере концентрация ионов металла в растворе влияет на значение электродного потенциала металла и, следовательно, на ЭДС гальванического элемента?