Інформація для вчителів
Опис
Експериментальна установка
Електричну напругу можна вимірювати не тільки між напівелементами, виготовленими з різних металів у їхніх сольових розчинах, але й між однотипними напівелементами, які відрізняються лише концентрацією їхніх сольових розчинів.
Такі пари однакових напівелементів з різними концентраціями солей називаються "концентраційними рядами (ланцюжками)". Вимірювана напруга таких концентраційних рядів підпорядковується закону, який знайшов своє математичне вираження в так званому "рівнянні Нернста".
Додаткова інформація для вчителів (1/5)
Попередні знання
Учні вже повинні вміти визначати стандартні потенціали та виготовляти необхідні електроди. Вони також повинні знати рівняння Нернста.
Принцип
Рівняння Нернста також можна використовувати для розрахунку гальванічних елементів, які складаються з різних окисно-відновних пар з різною концентрацією розчину.
Додаткова інформація для вчителів (2/5)
Мета навчання
Учні дізнаються, як рівняння Нернста можна також використовувати для розрахунку гальванічних елементів, що складаються з різних окисно-відновних пар з різною концентрацією розчину.
Завдання
Учні перевіряють теоретичні розрахунки рівняння Нернста з різними окисно-відновними парами з різною концентрацією розчину на практиці.
Додаткова інформація для вчителів (3/5)
Додаткова інформація (1/3)
Якщо, гальванічний елемент складається з мідного напівелемента з 1 молярним розчином сульфату міді (стандартний мідний елемент) і срібного напівелемента з 0,1 молярним розчином нітрату срібла, то напруга виходить з такої залежності:
= -
- потенціал срібного напівелемента, який утворює катод (процес відновлення) у цій системі. - стандартний потенціал мідного напівелемента, тобто . Потенціал срібного електрода з концентрацією розчину 0,1 моль/л утворюється з різниці стандартного потенціалу срібного напівелемента і потенціалу концентраційного ланцюжка срібних напівелементів з концентраціями = 1 моль/л і = 0,1 моль/л згідно з рівнянням Нерна, тобто
Додаткова інформація для вчителів (4/5)
Додаткова інформація (2/3)
= /
Підставивши цей вираз у наведене вище рівняння, ми отримаємо напругу описаного гальванічного елемента:
=
Оскільки іони срібла моновалентні, ; і логарифм добутку і у нашому прикладі також дорівнює 1.
Додаткова інформація для вчителів (5/5)
Додаткова інформація (3/3)
Тоді напруга на описаному елементі становить
Якби концентрація іонів срібла в срібному напівелементі була не 0,1 моль, а 0,01 моль, напруга на цьому елементі становила б
x
Інструкції з техніки безпеки
- Одягніть захисні окуляри та рукавички.
- До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів на уроках з природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Експериментальна установка
Ви вже дізналися, що в сучасному світі ми не можемо обійтися без батарейок. Ви також вже вмієте виготовляти різні електроди.
Досі електричні напруги двох металів вимірювали в одній і тій самій концентрації солі. Однак це працює і навпаки:
У цьому експерименті Ви дізнаєтесь, що електричну напругу можна також виміряти між двома окисно-відновними парами з різними концентраціями розчинів.
Завдання
Перевірте розрахунки рівняння Нернста, які знаходяться в частині "Підготовка".
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Цифровий мультиметр, 3 1/2 розрядний дисплей з NiCr-Ni термопарою | 07122-00 | 1 |
| 2 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, червоний | 07356-01 | 1 |
| 3 | З'єднувальний провідник, 2 мм-штепсель, 500 мм, синій | 07356-04 | 1 |
| 4 | Перехідний штекер, гніздо 4 мм/ 2 мм, 2 шт. | 11620-27 | 1 |
| 5 | Затискач типу "Крокодил", з ізоляцією, 2 мм, 2 шт. | 07275-00 | 1 |
| 6 | Набір електродів (Al, Fe, Pb, Zn, Cu) | 07856-00 | 2 |
| 7 | Мензурка, висока, 50 мл | 46025-00 | 3 |
| 8 | Блок із 8 заглибленнями, d=40 мм | 37682-00 | 1 |
| 9 | Кришки для блоку з заглибленнями, 8 шт. | 37683-00 | 1 |
| 10 | Лист срібла, 150 x 150 x 0,1 мм, 1 шт (приблизно 25 г) | 31839-04 | 1 |
Підготовка (1/4)
Підготовка необхідних розчинів
- Розчин нітрату срібла (0,1 моль/л): Додайте 8,49 г нітрату срібла до 250 мл дистильованої води. Добре перемішайте і доведіть до 500 мл дистильованою водою.
- Розчин нітрату срібла (0,01 моль/л): Додайте 50 мл приготованого розчину нітрату срібла (0,1 моль/л) до 450 мл дистильованої води.
- Розчин сульфату міді (1 моль/л): Додайте 79,5 г сульфату міді до 250 мл дистильованої води. Добре перемішайте і доведіть до 500 мл дистильованою водою.
Підготовка (2/4)
Розрахунки (1/3)
Якщо, гальванічний елемент складається з мідного напівелемента з 1 молярним розчином сульфату міді (стандартний мідний елемент) і срібного напівелемента з 0,1 молярним розчином нітрату срібла, то напруга виходить з такої залежності:
= -
- потенціал срібного напівелемента, який утворює катод (процес відновлення) у цій системі. - стандартний потенціал мідного напівелемента, тобто . Потенціал срібного електрода з концентрацією розчину 0,1 моль/л утворюється з різниці стандартного потенціалу срібного напівелемента і потенціалу концентраційного ланцюжка срібних напівелементів з концентраціями = 1 моль/л і = 0,1 моль/л згідно з рівнянням Нерна, тобто
Підготовка (3/4)
Розрахунки (2/3)
= /
Підставивши цей вираз у наведене вище рівняння, ми отримаємо напругу описаного гальванічного елемента:
=
Оскільки іони срібла моновалентні, ; і логарифм добутку і у нашому прикладі також дорівнює 1.
Підготовка (4/4)
Розрахунки (3/3)
Тоді напруга на описаному елементі становить
Якби концентрація іонів срібла в срібному напівелементі була не 0,1 моль, а 0,01 моль, напруга на цьому елементі становила б
x
Ці розрахунки мають бути перевірені в експерименті.
Підготовка
Заповніть вимірювальну комірку 1 розчином сульфату міді (c = 1 моль/л), вимірювальну комірку 2 розчином нітрату срібла (c = 0,1 моль/л) і вимірювальну комірку 3 розчином нітрату срібла (c = 0,01 моль/л). (рис. праворуч).
Потім з'єднайте вимірювальну комірку 1 з комірками 2 і 3 за допомогою струмових ключів, виготовлених зі смужок фільтрувального паперу.
Не змочуйте гальванічні контакти розчином калій нітрату.
Замість цього дайте розчинам з двох вимірювальних комірок, що з'єднуються, підніматися з кінців паперу до тих пір, поки вони не зустрінуться посередині смужок.
Заповніть вимірювальні комірки
Виконання роботи
Накрийте вимірювальні комірки і вставте мідний електрод у розчин сульфату міді у вимірювальній комірці 1, а срібний електрод - у комірку 2.
Підключіть мідний електрод як негативний полюс до роз'єму заземлення вимірювального приладу, а срібний електрод як позитивний полюс - до роз'єму напруги.Виміряйте напругу на цьому гальванічному елементі. Потім вставте срібний електрод (після висихання крапель розчину) у комірку 3 з концентрацією розчину c = 0,01 моль/л і також виміряйте напругу.
Тепер помістіть електрод, під'єднаний до роз'єму заземлення (на синьому з'єднувальному дроті), у найбільш розбавлений розчин (вимірювальна комірка 1), а електрод, підключений до вольтметра - у наступний найменший розбавлений розчин (вимірювальна комірка 2) і виміряйте напругу.
Потім у такий самий спосіб виміряйте напруги між вимірювальними комірками 2 і 3, 3 і 4, 4 і 5. Запишіть виміряні значення. Потім виміряйте напруги між комірками 1 + 3, 1 + 4 і 2 + 4.
Протокол
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання