Інформація для вчителів
Застосування
Схема досліду
Різниці потенціалів між металами можна виміряти в гальванічних елементах як електричні напруги. Ці напруги дають уявлення про різну здатність металів відновлюватися чи окиснюватися. Комбінуючи різні напівелементи з незмінним електродом порівняння, кожній окисно-відновній системі можна приписати стандартний електродний потенціал.
Оскільки всі напруги вимірюють відносно цього електрода порівняння, результати можна порівнювати. Електродом порівняння тут слугує стандартний водневий електрод. На цій основі виникає ряд напруг, який на уроці підтримує розуміння окисно-відновних процесів і будови гальванічних елементів.
Інша інформація для вчителів (1/8)
Додаткова інформація для викладачів (1/8)
Попередні знання
Учні мають працювати з гальванічними елементами в теорії та на практиці. Крім того, вони мають знати, що таке стандартний водневий електрод і що таке стандартні потенціали.
Принцип
За допомогою стандартних потенціалів можна легко обчислити різниці потенціалів, тобто напруги між усіма комбінаціями металів, за таким рівнянням:
Інша інформація для вчителів (2/8)
Додаткова інформація для викладачів (2/8)
Навчальна мета
Учні протягом досліду виготовлять спрощений стандартний водневий електрод (SHE), завдяки чому створюється розуміння принципу його дії та будови, а також «стандартного потенціалу».
Порівняння різниць потенціалів різних металів щодо SHE дає уявлення про здатність цих металів відновлюватися чи окиснюватися.
Завдання
Платиновий електрод треба наситити газуватим воднем через електроліз сірчаної кислоти. Далі цей електрод слід по черзі скомбінувати з 4 напівелементами різних металів у гальванічні елементи. Напруги, що при цьому виникають, вимірюють і записують, упорядкувавши їх у ряд напруг за величиною і знаком.
Інша інформація для вчителів (3/8)
Додаткова інформація для викладачів (3/8)
У досліді «Електрохімічний ряд напруг» спостерігали, що між різними металами виникають різні за величиною постійні напруги, щойно їх скомбінувати в гальванічні елементи. Ці напруги є кількісним виразом різниць потенціалів між з'єднаними напівелементами. Потенціал залежить від окисно-відновних процесів металів у розчині. Так, наприклад, для цинку діє: .
Що більше прагнення металу розчинятися, то далі праворуч лежить рівновага такого окисно-відновного процесу. Проте, оскільки саме це прагнення розчинятися, тобто потенціал металу в окремому напівелементі, виміряти не можна, йому не можна без додаткових умов приписати й певний порядок величини. Однак, як показав дослід «Ряд напруг (ряд активності) металів» P7400669, різниці між потенціалами різних металів вимірні, якщо з'єднати їх у гальванічні елементи.
Інша інформація для вчителів (4/8)
Додаткова інформація для викладачів (4/8)
Кожному металу (та іншим окисно-відновним парам) можна приписати відносну величину потенціалу, скомбінувавши метал із незмінним електродом порівняння в гальванічний елемент. Таким електродом порівняння визначено так званий стандартний водневий електрод (SHE).
Він складається з платинової пластинки, вкритої платиновою черню, яку занурюють у соляну кислоту. Дрібнобульбашковий потік водню пропускають над електродом за нормального тиску . Вимірювання виконують за . Завдяки каталітичній дії платини на поверхні утворюється адсорбований шар атомарного водню – електрод стає водневим електродом.
На цьому електроді може відбуватися такий окисно-відновний процес:
Стандартний потенціал цього електрода довільно встановлено на і він слугує величиною порівняння для всіх інших окисно-відновних систем.
Інша інформація для вчителів (5/8)
Додаткова інформація для викладачів (5/8)
Якщо з'єднати металевий напівелемент зі стандартним водневим електродом (SHE) у гальванічний елемент, можна виміряти електричну напругу між обома електродами. Оскільки потенціал водневого електрода за домовленістю становить, виміряна напруга безпосередньо відповідає стандартному потенціалу досліджуваного металу, тобто окисно-відновної системи.
Визначені в такий спосіб напруги – віднесені до визначеного водневого потенціалу – називають стандартними потенціалами. Вони дають змогу порівняльно впорядкувати різні окисно-відновні пари за їхньою схильністю приймати або віддавати електрони.
У цьому учнівському досліді замість технічно складного SHE застосовують спрощений варіант. Його можна виготовити простими засобами, і він усе ж дає виміряні значення, дуже близькі до літературних: тут електрод не вкривають платиновою черню, використовують сірчану кислоту замість соляної, не відбувається безперервного подавання газу, а тиск водню не перевіряють.
Інша інформація для вчителів (6/8)
Додаткова інформація для викладачів (6/8)
Таблиця містить стандартні потенціали вибраних елементів.
| Речовина | Стандартний потенціал | Окисно-відновна система | |
|---|---|---|---|
| Цинк (Zn) | до | ||
| Свинець (Pb) | до | ||
| Водень (H) | |||
| Мідь (Cu) | до | ||
| Срібло (Ag) | до |
Інша інформація для вчителів (7/8)
Інша інформація для вчителя (7/8)
Розчини можна приготувати для всіх, щоб заощадити реактиви!
- Розчин купрум сульфату : Додай купрум сульфату до дистильованої води. Добре перемішати й долити дистильованою водою до .
- Розчин нітрату свинцю :Додай нітрату свинцю до дистильованої води. Добре перемішати й долити дистильованою водою до .
Необов'язкове приготування сірчаної кислоти :Налий у хімічний стакан дистильованої води. Піпеткою додай 96%-ї сірчаної кислоти й долий дистильованою водою до .
За такого обсягу приготування можна використати хімічний стакан на . Його ви знайдете в інтернет-магазині PHYWE.
Інша інформація для вчителів (8/8)
Інша інформація для вчителя (8/8)
Розчини можна приготувати для всіх, щоб заощадити реактиви!
- Розчин цинк сульфату :Додай цинк сульфату до дистильованої води. Добре перемішати й долити дистильованою водою до .
- Розчин нітрату срібла : Додай нітрату срібла до дистильованої води. Добре перемішати й долити дистильованою водою до .
- Розчин нітрату калію :Додай нітрату калію до дистильованої води. Добре перемішати й долити дистильованою водою до .
За такого обсягу приготування можна використати хімічний стакан на . Його ви знайдете в інтернет-магазині PHYWE.
Правила безпеки
- Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
- Під час досліду всі присутні в приміщенні особи мають носити захисні окуляри!
- Свинець і нітрат свинцю отруйні при вдиханні та проковтуванні, причому існує небезпека кумулятивної дії. Вони можуть засвоюватися також через шкіру. Уникати будь-якого контакту реактивів з очима та шкірою.
- Розчини цинк сульфату з концентрацією і розчини сірчаної кислоти з концентрацією подразнюють.
- Щодо H- і P-фраз, будь ласка, звертайтеся до паспорта безпеки відповідного реактиву.
Інформація для учнів
Мотивація
Схема досліду
Чому ми займаємося гальванічними елементами:
Батарейки годі уявити поза нашим повсякденням - байдуже, чи то у смартфоні, чи в пульті дистанційного керування, чи в електровелосипеді. Вони дають нам змогу гнучко користуватися електричною енергією будь-де. За цією зручною технікою стоїть простий хімічний принцип: гальванічний елемент.
Цікаво стає, коли комбінувати різні метали між собою. Тоді виникають вимірні напруги - залежно від того, наскільки метал «готовий» віддавати електрони. Саме ці відмінності ми використовуємо в досліді й так дізнаємося, як хімічна енергія безпосередньо перетворюється на електричну.
Завдання
Підготуй платиновий електрод, наситивши його газуватим воднем через електроліз сірчаної кислоти (протягом бл. 3–5 хвилин).
Скомбінуй так підготовлений водневий електрод по черзі з чотирма різними напівелементами, кожен з яких містить інший метал.
Виміряй напругу, що виникає в кожному гальванічному елементі.
Запиши напруги з величиною і знаком.
Упорядкуй метали відповідно до виміряних напруг у ряд напруг - від найвищого до найнижчого потенціалу.
Обладнання
Додаткове обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Пінцет | 64610-01 | 1 |
Підготовка (1/2)
Розчини можна приготувати для всіх, щоб заощадити реактиви!
- Розчин купрум сульфату : Додай купрум сульфату до дистильованої води. Добре перемішати й долити дистильованою водою до .
- Розчин нітрату свинцю :Додай нітрату свинцю до дистильованої води. Добре перемішати й долити дистильованою водою до .
Необов'язкове приготування сірчаної кислоти :Налий у хімічний стакан дистильованої води. Піпеткою додай 96%-ї сірчаної кислоти й долий дистильованою водою до .
Підготовка (2/2)
Розчини можна приготувати для всіх, щоб заощадити реактиви!
- Розчин цинк сульфату :Додай цинк сульфату до дистильованої води. Добре перемішати й долити дистильованою водою до .
- Розчин нітрату срібла : Додай нітрату срібла до дистильованої води. Добре перемішати й долити дистильованою водою до .
- Розчин нітрату калію :Додай нітрату калію до дистильованої води. Добре перемішати й долити дистильованою водою до .
Вказівка: Срібний електрод не входить до стандартного асортименту, тому його треба забезпечити додатково (див. Додаткове обладнання).
Складання (1/4)
Для вимірювання датчиками Cobra SMARTsense потрібен PHYWE measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи ввімкнено на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Складання (2/4)
Змочи по черзі чотири сольові містки (три короткі, один довгий) за допомогою пінцета в розчині нітрату калію і розмісти їх як міст між вимірювальними комірками в блоці вимірювальних комірок (див. рисунок).
Складання (3/4)
Наповни вимірювальні комірки 1 і 2 розведеною сірчаною кислотою, а комірки 3–6 - відповідними розчинами солей металів (див. рисунок).
Надінь на кожну вимірювальну комірку кришку.
Складання (4/4)
Розглянь електроди: якщо метал окиснився під час зберігання, скористайся шматком наждачного паперу, щоб зняти оксидний шар.
Потім встроми у вимірювальну комірку 1 платиновий електрод, у комірку 2 - вугільний електрод, а в комірки 3–6 - зазначені металеві електроди: платина, цинк, мідь, срібло і вуглець (графіт).
Вказівка: Срібний електрод не входить до стандартного асортименту, тому його треба забезпечити додатково.
Виконання (1/4)
- Запусти measureAPP на мобільному пристрої.
- Натисни на датчику кнопку «Пуск» приблизно на 3 секунди.
- Приєднай датчик, торкнувшись поряд з описом датчика в measureAPP.
- Налаштуй показ виміряних значень, торкнувшись над діаграмою.
Виконання (2/4)
Далі зважай на полярність!
Платиновий електрод у комірці 1 - це мінус-полюс (синій), вугільний електрод у комірці 2 - плюс-полюс (червоний). Стеж за тим, щоб кольори було зіставлено правильно: синій (мінус-полюс) завжди до синього/чорного, червоний (плюс-полюс) завжди до червоного.
- Візьми два кабелі й закріпи на обох кінцях кожного по затискачу «крокодил».
- З'єднай один кінець кабелів з електродами, а другий кінець - із джерелом постійної напруги (батарея ).
Виконання (3/4)
Проводь електроліз сірчаної кислоти між обома електродами приблизно 3–5 хвилин.
Після цього часу від'єднай з'єднання від джерела напруги, заміни затискачі «крокодил» на перехідні штекери і під'єднай Cobra SMARTsense Voltage (див. рисунок).
З'єднай платиновий електрод із мінус-полюсом (синій), а вугільний електрод - із плюс-полюсом (червоний) !
Зчитай показану напругу в measureAPP.
Виконання (4/4)
Зі спрощеним стандартним водневим електродом тепер можна виконати кілька вимірювань.
З'єднай тепер напівелементи 3–6 по черзі з плюс-полюсом Cobra SMARTsense Voltage.
Виміряй відповідні напруги за допомогою measureAPP.
1
3
5
2
4
6
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання