Работа № 11. Испытание элемента Якоби-Даниэля в режиме аккумулятора

Цель работы – изучение устройства и принципа работы гальванических элементов - химических источников тока (ХИТ). Знакомство с методом измерения электродных потенциалов и электрохимических характеристик ХИТ. Показ возможности работы гальванического элемента Якоби-Даниэля в режиме аккумулятора.

А. Теоретическое введение

Элемент Якоби-Даниэля Cu│CuSO₄║ZnSO₄│Zn может работать в режиме разряда и заряда, т.е. выполнять роль вторичного источника тока – аккумулятора.

Электрохимическая реакция, протекающая в элементе, записывается следующим образом:

Zn + CuSO₄ ↔ ZnSO₄ + Cu.

При разряде происходит прямая реакция, химическая энергия которой превращается в электрическую. При заряде подведенная электрическая энергия вызывает обратный процесс.

Основной характеристикой любого источника тока является его электродвижущая сила (ЭДС), которая равна разности потенциалов катода и анода на бестоковом режиме. Для медно-цинкового элемента Якоби−Даниэля стандартная ЭДС при 298 К равна 1,1 В

B.

Величина ЭДС зависит от концентрации (активности) ионов в растворах, в которые погружены медный и цинковый электроды, и вычисляется по формуле Нернста:

,

где и − активности соответствующих ионов.

На практике более важным параметром, чем ЭДС, является напряжение химического источника тока при замкнутой внешней цепи – напряжение разряда. Оно всегда меньше, чем ЭДС разомкнутой цепи. Это связано с тем, что при прохождении по цепи тока вследствии явления поляризации потенциал анода сдвигается в положительную сторону, а потенциал катода – в отрицательную. Смещение потенциала электрода называется также перенапряжением:

Е_пол= E_i – E_о,

где Е_пол – потенциал поляризации (перенапряжение), E_i – потенциал электрода под током. E_о – потенциал электрода на бестоковом режиме.

Поляризация электродов может быть вызвана различными причинами. Важнейшие из них – замедленный разряд ионов, пассивация металлов, изменение концентрации ионов у поверхности электродов и др. Кроме того, часть ЭДС теряется на преодоление внутреннего сопротивления элемента (Е_омич). Таким образом, напряжение элемента при разряде

Е_разр = ∆Е - Е_пол - Е_омич.

Разрядное напряжение уменьшается со временем и с увеличением плотности тока.

При заряде элемента анод и катод меняются местами и рассмотренные факторы приводят к росту зарядного напряжения по сравнению с ЭДС:

Е_зар = ∆Е + Е_пол + Е_омич.

Зарядное напряжение возрастает во времени и с увеличением плотности тока. Кривая зависимости напряжения элемента от плотности тока получила название вольт-амперной характеристикой (ВАХ) или поляризационной кривой.

Б. Экспериментальная часть

Оборудование и реактивы

1. Медная и цинковая пластины.

2. Химические стаканы.

3. Электролитический ключ − U-образная стеклянная трубка, заполненная КСl и агар-агаром для увеличения вязкости раствора.

4. Переменный резистор, выполняющий роль нагрузки (R).

5. Амперметр (A).

6. Цифровой вольтметр(U).

7. Выпрямитель КЭФ-8.

8. Растворы солей: 1 М раствор ZnSO₄ и 1 М раствор CuSO₄.

Последовательность выполнения работы

А. Измерение ЭДС гальванического элемента.

1. Собрать модель элемента Якоби-Даниэля, для чего:

● в один из стаканчиков на одну треть налить 1 М раствор ZnSO₄, а в другой – 1 М раствор CuSO₄, замкнуть внутреннюю цепь, соединив электролиты электролитическим ключом;

● медную и цинковую пластины зачистить наждачной бумагой, промыть водой и осушить фильтровальной бумагой;

● опустить пластины в растворы соответствующих солей.

2. Подключить электроды к цифровому вольтметру: медный к клемме

«1–10», цинковый – к клемме «0» (сзади прибора).

3. Род работы прибора поставить на «U», предел измерений «1–10».

4. Включить цифровой вольтметр в сеть и измерить напряжение элемента.