Mérése elektrokémiai cella elektromotoros
Az elméleti alapok és a kísérleti meghatározása a termodinamikai tulajdonságai az elektrokémiai reakciók során fellépő működése az elektrokémiai cella.
A megjegyzések célja a diákok kémiai és egyéb különlegességek, tanuló elektrokémiájára során fizikai kémia.
Táblázat. 1. Il. 2. Irodalom. 6 címeket.
Megjelent a döntést az Editorial Board Samara Állami Műszaki Egyetem.
A cél a munka - a tanulmány az elmélet és a gyakorlat a termodinamikai számítások elektrokémiai reakció zajlik a reverzibilis elektrokémiai cellák mérésével elektromotoros erő.
1. Elméleti bevezetés
Elektrokémiai cella egy olyan rendszer, két elektróda, amelyben az energia egy kémiai reakció spontán módon alakul át elektromos energiává. Ez áll a két elektróda (félcella), merített elektrolit oldatok. Között ezek a megoldások a kapcsolatot keresztül a porózus partíció vagy elektrolitikus híd m. E. A szifon töltött csövön telített oldatával KCI vagy NH4 NO3. A porózus válaszfal vagy a híd elektrolitikus biztosítják az elektromos vezetőképesség az elektróda között megoldásokat, de akadályozza meg azok kölcsönös diffúzió. Néhány esetben, a két elektróda merítjük ugyanabban az oldatban.
Ha az elektródák csatlakoztatásához fémes vezető, az egyik az oxidációs reakció lép fel, és ez negatív töltésű, és az úgynevezett anód. és a másik - a redukciós reakció, akkor pozitív töltésű, és az úgynevezett a katód.
Temodinamika - egy tudományág, hogy a tanulmányok kölcsönös átalakulását hő munka, és fordítva. Kémiai termodinamika - egy részén fizikai kémia, tanulmányok fizikokémiai folyamatok kíséretében energia felszabadulását vagy felszívódását. Galvanikus elem olyan fizikai és kémiai rendszerekben. Ezért a munka az elektrokémiai cella, mint bármely más termodinamikai rendszer, azzal jellemezve, termodinamikai értékeit szabadentalpia változás # 916; G, entalpia # 916; H, entrópia # 916; S és az egyensúlyi állandó Ka az elektrokémiai reakciók során fellépő működése reverzibilis elektrokémiai cellák.
A nagy ellenállás van egy vezetőt az elektródákat összekötő, a lassabb reakció következik be az elektródákat. Elvileg, bezárhatja az elektróda vezeték egy végtelenül nagy ellenállást, és a reakció lezajlik végtelenül lassan, t. E. Váltvaforgató.
Elvégzése során izoterm és megfordítható kémiai reakció fordul a legnagyobb munka: ebben az esetben a legnagyobb része a reakcióhő alakítjuk elektromos munka. Mérve potenciális különbség a elektródok nevezzük elektromotoros erőt (rövid - EMF) a sejt.
Villamos működését elektrokémiai cella (A) megegyezik annak forrás közötti feszültség (E) szorozva a töltés által hordozott (q). Ha a reakció során redukció vagy oxidáció Z molekvivalentov anyag, a Faraday-törvény azt átkerül Q = ZF coulomb (A s.) Elektromosság, ahol F - Faraday szám (96500 C / mol). Következésképpen, a maximális munka (A'max) átvitelére ZF coulomb keresztül történő villamosenergia-egy potenciális különbség (# 916, # 966; = E) az elektródák az elektrokémiai cella
ahol E - EMF a sejt, V; E 0 - szabványos elektromotoros ereje a sejt egységnyi aktivitása a reagensek; a (OX1), a (red1), a (OX2), a (Red2) - aktív koncentráció (aktivitás) a redox konjugált párokat OX1 / red1 és OX2 / Red2. reakcióból származó oldatot.
Mérési elektromotoros erő E a sejt és a változása a hőmérséklet függvényében dE / dt lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk a legfontosabb termodinamikai értékeit kémiai redox reakció előforduló sejt.
A Gibbs-Helmholtz
Nagysága a d E / d T nevezzük hőmérsékleti együtthatója a cella elektromotoros erő együttható .Temperaturny d E / d Tmozhet kell meghatározni attól függően, elektromotoros erő a cella hőmérsékletének. Nagysága a d E / d T lehet pozitív, negatív és nulla, jellegétől függően az elektrokémiai cella.
Amikor d E / d T = 0, azaz, amikor a cella elektromotoros erő független a hőmérséklet, E = .. - # 916; U / ZF. Ebben az esetben a munka elem kerül sor teljes egészében a csökkenés belső energia a rendszer elkülönítése nélkül, vagy abszorpciós hő.
Amikor d E / d T <0, т.е. когда ЭДС элемента уменьшается с повышением температуры, работа элемента совершается тоже за счет убыли внутренней энергии системы, но сопровождается выделением теплоты. В этом случае работа элемента и расход энергии на нагревание окружающей среды осуществляется за счет убыли внутренней энергии системы.
Amikor d E / d T> 0, azaz, amikor EDS elem növeli, mint a hőmérséklet emelkedik, az elem működik hőabszorpcióval. Ebben az esetben, a kapcsolat a E és T. d E / d T határozza meg a munka jellegét és irányát a változás belső energia a rendszer:
1) ha T = E D E / d T, a belső energia a munka-elemet állandó hőmérsékleten nem változik: # 916; U = 0. A munkát elem végezzük teljes egészében az elnyelt hő a környezetből;
2) ha E> T. d E / d T, a belső energia elem csökkenti a működése során, # 916; U <0, и работа совершается частично за счет убыли внутренней энергий и частично за счет поглощения теплоты извне;
3) amikor E <Т . д E/д T внутренняя энергия элемента при его работе возрастает, ΔU> 0; elem elnyeli a hőt meghaladó elkövetni működik. A felesleges hőt elnyeli, hogy növelje a belső energia a rendszer. Itt a munkát, és a folyamat spontán módon, annak ellenére, hogy az endoterm kémiai reakció.
Nagysága a d E / d T közelítőleg kiszámítható a következő képlet
ahol E1 és E2, - - az értéke az elektrokémiai cella elektromotoros erő hőmérsékleten T1 és T2. A számítás lesz pontosabb a kisebb különböznek T1 és T2. mert függőség E = f (t) függvényében mintegy lineáris csak egy kis hőmérséklet intervallumokban.
Az egyensúlyi állandó Ka kémiai reakció bytpodschitana izotermát egyenletek kémiai reakció standard körülmények között. Azáltal izoterma egyenlet van't Hoff-érték a maximális hasznos munkát egy kémiai reakció számítjuk
A standard körülmények között a (OX1) = a (red1) = a (OX2) = a (Red2) = 1 mol / l. Ezek a feltételek,
ahol # 916; G 0 - normál változása Gibbs-féle szabad energia, J / mól.
Ebből tekintve (1) megszerzése
A módszer lényege abban áll, kompenzációs kiigazítás (kompenzáció), a kutatási EMF második elektrokémiai cella felhasználásával EMF teleppel a mérőkörben. Abban a pillanatban, az egyenlőség elektromotoros ellenkező előjelű okozza, hogy áram folyik át a galvanométerrel-végtelen, de kisebb mennyiségben. A mérési, akkor kell egy bizonyos szintű EMF. A használat során, mint a referencia-standard (korábban
1. ábra sematikus diagramja végrehajtására vonatkozó kompenzációs módszer Poggendorff.
normál) galvánelem Weston
amelynek állandó és reprodukálható EMF értéket. Itt, az anód - egy amalgám a kadmium és a katód - fémes higany. A lezárás a lánc kerül sor fél-reakciók:
Cd (Hg) - 2 «Cd 2+ + Hg (g);
25 0 C-on EMF elem Weston egyenlő 1,0183 V.
Mérés kezdődik kalibrációs Slidewire megfelelő skála beosztással mm egy vonalzóval kinyújtóztatta Nikrómhuzal állandó keresztmetszetű.
Ahhoz, hogy csatlakoztassa az akkumulátor áramkör amely állandó elektromos áram az áramkörben. Switch „P” bevezetjük az áramkört, és egy standard sejtes át vezetékes Slidewire mozgatható érintkező „C”. Rendszeresen a gomb megnyomásával a „K” rövidzárlat ellenőrzése galvanométert jelenlétében áram az áramkör, kompenzáció. Abban az időben a kompenzációs AC huzal dia huzal szegmens felel meg az ellenállás, a termék az akkumulátor aktuális, egyenlő a feszültség kompenzálása EMF Weston elem. Ismerve a hossza a szegmens AC (például, n), ahol az akkumulátor feszültségesése kompenzálja EMF (EN) Weston elem képes kiszámítani a feszültségesést 1 mm Slidewire EN / lN. V / mm.
Ezután az ellenőrző áramkör tartalmaz egy galvánelem egy ismeretlen értéke EMF EX és megismételve a fenti mérési lépés, hossza mérésére a szegmens a huzal Slidewire LX pillanatban kompenzáció. a kapcsolat
megtalálni az ismeretlen értékét EMF.
A pontos mérés az EMF a cella alkalmazni nagy impedanciájú P potenciométer-307. alkotják a felső panel ábrán látható. 2.
A működés alapja a kompenzációs elv is, ha a voltmérő áram a vizsgálati áramkör az elektrokémiai cella egy végtelenül kicsi értéket (nulla-nulla eszköz (galvanometer)). Gyűjtés a mérőáramkör csatlakoztatva legyen a „B” akkumulátor Eliminator vagy 2,5 - 3,5 a terminálok „NE” - Weston sejt, hogy X1 vagy X2 - elemzett elektrokémiai cella. Minden esetben figyelembe kell venni a polaritás a jelek „+” és „-” a műszerfalon, és csatlakoztassa a DC. Galvanométer van csatlakoztatva a megfelelő terminálok a „G”. Ezt követően a potenciométer van kötve egy egyenirányító a hálózatra.
Működés kezdődik a kalibrációs az eszköz a referencia elem Weston.
A választó kapcsolót (3) tegye abban a helyzetben, „negatív érzelmek.” Fogantyúk ellenállások (2) előállításához egy „durva”, majd „vékony” EMF kompenzációs elem Weston, periodikusan mérő áramkör zárása gombot 430 ohm, akkor a gombot „0”. Megfelelő beállítás megfelel hiányában áram az áramkörben galvanométer rövidzárlati (1-2), a nyomógomb „0”.
Ennek eredményeként a mérést a fogantyú (5) vezetünk be egy potenciométer üzemi áram egyenirányító, biztosítja a teljes ellenállás ezekben tollak feszültség egyenlő EMF elem Weston, azaz 1,0186 V.
Ábra. 2. A felső panel típusa P potenciométer-308: 1 - fészkek „X1” és „X2” csatlakoztatásához az elektródok elektrokémiai cella; 2 - Fogantyú ellenállás „durva”, „vékony” kalibráló potenciométer; 3 - potenciométer működése kapcsolót a normál (NE) vagy a monitoring eleme „NE” vagy „X2”; 4 - slot "G", hogy csatlakoztassa a galvanométer; 5 - fogantyúk ellenállások (évtizedek), ablakos mérésére számértékek EMF; 6 - aljzat "X1" csatlakoztatásához Weston sejt; 7 - slot "B", és az akkumulátor csatlakozások; 8 - Weston sejt; 9 - ac egyenirányító; 10 - galvanométer; 11 - Ablak digitális értékeinek EMF; 12 - gombot áramkör mérő áramkör „430” és a „0” és a nyugalmi oszcillációk „USP” a galvanométer.
Mérési fogantyú úgynevezett évtizedekben. mivel ezek mindegyikét 10 állam. Mind a pozíciók az első évtized (I), amely ellenálló képességet biztosít, amely alkalommal az üzemi áram adja EMF kompenzációs érték egyenlő 0,1 V. Következésképpen, a fogantyú (I), hogy kompenzálja a 0,1-1 V. évtizedben (II) hogy kompenzálja a 0,01 és 0,1, stb Ezért a digitális értéket a mért elektromotoros erő az említett doboz az első évtizedben meg kell szorozni 0,1, a második - 0.01, stb
Miután kalibrálása a műszer a választó kapcsolót (2) fel abban a helyzetben, X1 vagy X2 (attól függően, hogy melyik terminálról csatlakozik elemzett elektrokémiai cella), és kezeli évtizedek kapcsolók I - VI hajtjuk ekvilibrációs mérjük EMF át egymás után növekvő érzékenysége, biztosítva hiányában áram az áramkörben alatt rövidzárlat nyomja meg a „0”.
Mért érték mért szám az ablakban a megfelelő tényezők.
2. Kísérleti
Laboratóriumi munka № 18
Termodinamika elektrokémiai cella
1. megismertessék az elméleti alapjait a termodinamika az elektrokémiai cella.
2. Gyűjtsük vizsgált elektrokémiai cellában, és helyezzük a nyílásba a fedelet a termosztát.
3. Kösse összekötő nyomon elektrokémiai cella a potenciométerrel P-308.
4. kalibrálja a P potenciométer-308 egy szabványos Weston elemet.
5. Mérjük meg a EMF a sejt a teszt a feladat az említett hőmérséklet-tartományban a hőmérséklet változtatásával a termosztát.
6. Számítsuk ki a termodinamikai jellemzőit d E / d T, # 916; G, # 916, H # 916; S Ra és elektrokémiai reakció előforduló a sejtben.
7. Győződjön előrehaladási jelentést és arra következtetni, hogy az értékek a számított értékek a lezajló folyamatok a sejtben.
8. Ellenőrizze az eredményeket a tanár és rendezett munkahelyen.
Eszközök és reagensek
1. platinaelektród csatlakozó vezetők (2 db.).
2. Széles száj injekciós üveg (2 db.).
4. potenciométer R-308.
5. Az egyenirányító AC.
6. Normál elem Weston.
7. A megoldások a sejtek elkészítéséhez.
8. Az üvegcső só-hidat.
9. A telített KCI-oldattal.
10. A szűrőpapír a dzsemek só-hidat.
A munka előrehaladásáról
1. Töltsük fel galvánelem meghatározott adatokat kell dolgozni. Erre a célra, a két nagy, széles csövek öntsük a megfelelő oldatokat a megadott koncentráció.
2. Alsó platina elektródákat megfelelő elektrolitok.
3. Helyezze a csöveket megoldások aljzatok a fedelet a termosztátot.
4. a só előállításához híd, töltés egy U-alakú üvegcső telített KCI-oldattal és csatlakoztassa a lyuk úgy, hogy egy só-hidat nincsenek légbuborékok.
5. Csatlakoztassa cső só-hidat.
6. kalibrálja a P potenciométer-308 Weston elem.
7. Mérjük az EMF a cella összeszerelt közötti hőmérséklet-tartományban meghatározott a specifikáló munkája a víz hőmérsékletének növelésével a termosztát. Kemence-hőmérséklet pontosan mérjük egy külön hőmérővel. Feljegyezzük a mért elektromotoros erő és a megfelelő hőmérsékletet.
8. Ezután kiszámítja a hőmérsékleti együttható d E / d T és a változás termodinamikai függvények # 916; G, # 916, H # 916; S elektrokémiai reakció a megadott képlettel az elméleti részben.
9. Határozza meg a könyvtárban a standard potenciál az elektródok elektrokémiai cella a teszt, és ez rendszer. Létrehozása egyenlet fele reakciót előforduló az elektródok, és egy általános egyenlete redox reakció. Számoljuk ki a normál érték EMF elem és megtalálni az egyensúlyi állandó Ka az (14).
10. Az inszert egy kísérlet eredményeit és számított értékek a táblázatban.
1. A kommunikáció a Gibbs energiája elektrokémiai reakció és az EMF a sejt.
2. A képletek a kiszámításához # 916; G, # 916, H # 916; S elektrokémiai reakció.
3. A függőség EMF elektrokémiai cellák a hőmérséklet.
4. A „hőmérsékleti együttható EMF” és módszerek annak meghatározására.
5. közötti kommunikáció jele a hőmérsékleti együttható és a természet az elektrokémiai reakció.
6. A működési elve a potenciométer P-307.
7. Eljárás teljesítmény.
3. Fizikai Kémia Workshop / szerk. VV Budanov,