Загальна інформація
Опис
Експериментальна установка
Будь-яка комбінація двох електродів називається гальванічним елементом (наприклад, батареї, акумулятори або біологічні клітини). Напруга холостого ходу (розімкнутого кола) (історично: електрорушійна сила) дорівнює різниці потенціалів між електродами. Це можна розрахувати, застосувавши рівняння Нернста до напівелементів: . Аналогічним чином, це рівняння дає змогу розрахувати рівноважні активності, що виникають під час подачі напруги на напівоелементи.
Рівняння Нернста має центральне значення в електрохімії, гальванотехніці та електроаналізі, оскільки воно пов'язує електричну величину напруги (або потенціал електрода) з кількісною концентрацією хімічної речовини. Строго кажучи, воно справедливе тільки для гальванічних елементів без перенесення і процесів без струму. Проте, воно є відправною точкою для виведення рівнянь в електрохімічних системах зі струмом.
Додаткова інформація (1/2)
Попередні знання
Студенти та учні мають бути знайомі з основами електрохімії. Крім того, студенти повинні вміти працювати автономно з хімічними реактивами та бути знайомі з належною лабораторною практикою.
Науковий принцип
Рівняння Нернста описує залежність електричного потенціалу електрода, що контактує з розчином іонів, від концентрації (точніше, активності) цих іонів. Рівняння можна експериментально перевірити за допомогою електрохімічного елемента, сформованого з інертного індикаторного електрода, з'єднаного зі зручним електродом порівняння. Потенціал індикаторного електрода, а отже, і е.р.с. гальванічного елемента, контролюється при зміні іонного складу розчину електроліту.
Додаткова інформація (2/2)
Мета навчання
Студенти та учні вчаться визначати стандартний електродний потенціал окисно-відновної пари та розраховувати стандартний окисно-відновний потенціал .
Завдання
Використовуючи ОВП-електрод (комбінований електрод порівняння - електрод порівняння з платиною як робочим електродом), виміряйте потенціал у контакті з розчинами, що містять відомі концентрації комплексних іонів заліза (II) і заліза (III) та .
Інструкції з техніки безпеки
Для цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Правила роботи з небезпечними речовинами наведено у відповідних паспортах безпеки!
Теорія (1/6)
У електрохімічному елементі, що використовується тут, електрод електрод, який використовується як електрод порівняння, забезпечує постійний потенціал, порівняно з яким ми вимірюємо потенціал окисно-відновного (редокс-)електроду. Електрод із хлористого срібла складається зі срібного дроту, покритого хлоридом срібла, який занурюють у розчин хлориду калію певної концентрації. Редокс система - це пара залізо(III) / залізо(II)
Загалом, окисно-відновну реакцію, в якій іони відновлюються за допомогою електронів (поданих електродом з інертного металу) до іонів із зарядом ( , можна виразити наступним чином:
Теорія (2/6)
У цій системі рівновага досягається, коли суми електрохімічних потенціалів по обидва боки реакції рівні:
З визначення електрохімічного потенціалу випливає, що
(1)
(2a)
(2b)
Теорія (3/6)
де
- електричний потенціал розчину
- електричний потенціал електрода з інертного металу
- хімічний потенціал виду
Об'єднавши рівняння (1) і (2), отримуємо:
(2c)
(3)
Теорія (4/6)
що дає змогу виразити різницю електричних потенціалів між розчином і металом як:
Хімічні потенціали іонів залежать від їхньої активності в розчині:
де:
- стандартний хімічний потенціал виду при одиниці активності
(4)
(5a)
(5b)
Теорія (5/6)
Таким чином, рівняння (4) можна записати як:
що є формою рівняння Нернста для простого окисно-відновного електрода (див. рівняння 1).
Для окисно-відновної системи, що використовується тут, маємо
(6)
(7)
Теорія (6/6)
Елемент, який використовується в цьому експерименті:
для якого ЕРС однаково:
Для розбавлених розчинів, використовуваних тут, активності іонів були замінені молярними концентраціями.
(8)
Обладнання
Підготовка та виконання роботи
Підготовка (1/5)
Приготуйте розчини, необхідні для експерименту, таким чином:
- 0.01 М розчину : Зважте 4,2239 г гексаціаноферрату (II) калію ("жовта кров'яна сіль"): у мірну колбу об'ємом 1000 мл, додайте трохи дистильованої води для її розчинення, а потім долийте до калібрувальної позначки дистильовану воду.
- 0.001 М розчину Піпеткою перенесіть 100 мл 0,01 молярного розчину гексаціаноферрату (II) калію в мірну колбу об'ємом 1000 мл і долийте до калібрувальної позначки дистильовану воду.
- 0.01 М розчину : Зважте 3,2925 г гексаціаноферрату (III) калію ("червона кров'яна сіль"): у мірну колбу об'ємом 1000 мл, додайте трохи дистильованої води для її розчинення, а потім долийте до калібрувальної позначки дистильовану воду.
- 0.001 М розчину : Піпеткою перенесіть 100 мл 0,01 М розчину гексаціаноферрату(ІІІ) калію в мірну колбу об'ємом 1000 мл і долийте до калібрувальної позначки дистильовану воду.
Підготовка (2/5)
Рис. 1: Експериментальна установка
- Ознайомтеся з програмним забезпеченням PHYWE measureLAB, користуючись великим посібником, який можна знайти в стартовій програмі в розділі
- Зберіть експериментальну установку, як показано на рис.1.
- Прикріпіть до штатива реторти дві бюретки (одну для розчину Fe (II) та іншу для розчину Fe (III)) , двічі промийте відповідним 0,001 М розчином і заповніть їх.
Підготовка (3/5)
- Приготуйте досліджувані розчини зразків, як зазначено в наступній таблиці:
| розчин Fe(II), мл | розчин Fe(III) , мл |
|---|---|
| 49 | 1 |
| 48 | 2 |
| 46 | 4 |
| 43 | 7 |
| 38 | 12 |
| 30 | 20 |
| 25 | 25 |
| 20 | 30 |
| 12 | 38 |
| 7 | 43 |
| 4 | 46 |
| 2 | 48 |
| 1 | 49 |
Підготовка (4/5)
- Помістіть мензурку, що містить розчин першого зразка, на магнітну мішалку і вставте стрижень магнітної мішалки.
- Підключіть платиновий електрод, електрод порівняння до датчика ОВП Cobra SMARTsense і занурте їх у розчин.
- Підключіть датчик температури до термопари Cobra SMARTsense і занурте їх у розчин.
- Запустіть програмне забезпечення PHYWE measureLAB (якщо воно ще не запущено).
- Увімкніть обидва датчики (див. посібник до датчиків).
- Завантажте попередні налаштування для експерименту (P3060967 "Рівняння Нернста з Cobra SMARTsense").
- Якщо Ви працюєте без попередніх налаштувань, підключіть обидва датчики до програмного забезпечення (див. посібник measureLAB).
Підготовка (5/5)
- Переконайтеся, що встановлено режим "Одиночні вимірювання".
- Для цього викличте налаштування, перейдіть у розділ "Вимірювання" і перемкніть режим (див. також рис. 2).
- Виберіть у випадаючому меню "Індекс" для осі .
Рис. 2: Режим для вимірювання
Виконання роботи (1/2)
- Почніть вимірювання, натиснувши .
- Запишіть показання температури та ЕРС елемента.
- Ретельно промийте електроди в дистильованій воді, висушіть їх і помістіть у наступний розчин для вимірювань
Розчини необхідно міняти швидко. Не допускайте, щоб електрод порівняння залишався поза розчином занадто довго.
- Продовжуйте експеримент доти, доки не будуть виміряні всі зразки розчинів.
- Зупиніть вимірювання, натиснувши
- Повторіть процедуру з 0,01 М розчинами.
- Дані зберігаються всередині бази даних і можуть бути експортовані звідти.
Виконання роботи (2/2)
- Почніть вимірювання, натиснувши .
- Запишіть показання температури та ЕРС елемента.
- Ретельно промийте електроди в дистильованій воді, висушіть їх і помістіть у наступний розчин для вимірювань
Розчини необхідно міняти швидко. Не допускайте, щоб електрод порівняння залишався поза розчином занадто довго.
- Продовжуйте експеримент доти, доки не будуть виміряні всі зразки розчинів.
- Повторіть процедуру з 0,01М розчинами.
Оцінка (1/2)
- Побудуйте графік ЕРС (E) елемента в залежності від:
Графік залежності від являє собою пряму лінію градієнта і перетинає .
Якщо відомий потенціал використовуваного електрода порівняння, можна визначити стандартний електродний потенціал редокс-пари
Оцінка (2/2)
Виміряний градієнт (визначений за допомогою простої лінійної регресії) становить близько 25,2 мВ (табл. значення: 25.4 мВ при = 22°C). Результати можуть відрізнятися.
Зі значення у точці перетину з віссю , маємо: = 172 мВ.
При температурі 20°C електрод порівняння, як стверджується, має потенціал, що дорівнює 210 мВ. З цього випливає, що стандартний окисно-відновний потенціал дорівнює 38 мВ
(табл. значення: 36 мВ з "Р. Парсонс, Довідник з електрохімічних констант, Баттерворт, Лондон, 1959").
Додаток
| розчин Fe(II) , мл | розчин Fe(III) , мл | ||
|---|---|---|---|
| 49 | 1 | -3.89 | |
| 48 | 2 | -3.19 | |
| 46 | 4 | -2.49 | |
| 43 | 7 | -1.79 | |
| 38 | 12 | -1.09 | |
| 30 | 20 | -0.39 | |
| 25 | 25 | 0 | |
| 20 | 30 | +0.39 | |
| 12 | 38 | +1.09 | |
| 7 | 43 | +1.79 | |
| 4 | 46 | +2.49 | |
| 2 | 48 | +3.19 | |
| 1 | 49 | +3.89 |
: