WYZNACZANIE FUNKCJI TERMODYNAMICZNYCH

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW WYZNACZANIE FUNKCJI TERMODYNAMICZNYCH REAKCJI Z POMIARÓW SEM OGNIWA Prowadzący: Miejsce ćwiczenia: Aleksandra Kurowska Katedra Fizykochemii i Technologii Polimerów; sala 210

2 WYZNACZANIE FUNKCJI TERMODYNAMICZNYCH REAKCJI Z POMIARÓW SEM OGNIWA 2 I. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zestawienie ogniwa podanego w temcie ćwiczenia oraz wyznaczenie SEM tego ogniwa w kilku temperaturach. Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów należy obliczyć standardowe wartość funkcji termodynamicznych: współczynnik temperaturowy ogniwa ( E o / T) oraz wartość entalpii swobodnej, entropii i entalpii r G o, r S o, r H o reakcji zachodzącej w ogniwie. II. WSTĘP TEORETYCZNY (WPROWADZENIE, PODSTAWY TEORETYCZNE) Siła elektromotoryczna (SEM) jest to różnica potencjałów elektrycznych między elektrodami ogniwa galwanicznego w chwili, gdy przez ogniwo nie płynie prąd elektryczny. Ogniwo galwaniczne składa się z dwóch półogniw (elektrod), które są połączone kluczem elektrolitycznym gdy ogniwo nie ma wspólnego elektrolitu. Pomiary siły elektromotorycznej i współczynnika temperaturowego ogniwa umożliwiają określenie wartości r G, r S i r H dla przebiegającej w ogniwie reakcji sumarycznej. Ta metoda wyznaczania wielkości termodynamicznych jest często bardziej dogodna niż bezpośrednie pomiary kalorymetryczne. SEM ogniwa galwanicznego musi być mierzona w warunkach odwracalnych, jeżeli otrzymana wartość ma być użyta do obliczenia wartości wielkości termodynamicznych. Woltomierz nie jest w tym przypadku odpowiednim przyrządem ponieważ podczas pomiaru pobiera on część prądu ogniwa. Natomiast potencjometr mierzy SEM ogniwa przez zrównoważenie go przeciwnie skierowanym napięciem co umożliwia poprawne wyznaczenie wartości siły elektromotorycznej. Do pomiaru siły elektromotorycznej można wykorzystać kompensator z odczytem bezpośrednim, w takim przypadku do kompensacji stosuje się ogniwo wzorcowe (najczęściej normalne ogniwo Westona) o znanej i stałej sile elektromotorycznej. Pomiar siły elektromotorycznej ogniwa pozwala obliczyć entalpię swobodną reakcji zachodzącej w ogniwie (zmianę potencjału termodynamicznego) r G, zgodnie ze wzorem:

3 WYZNACZANIE FUNKCJI TERMODYNAMICZNYCH REAKCJI Z POMIARÓW SEM OGNIWA 3 r G = -zfe (1) gdzie: z wartościowość jonu w stosunku do którego odnosi się mol reagentów (liczba moli elektronów równoważna molowi reakcji), F stała Faradaya, N A e, F = 96485,39 (29) [C/mol], E siła elektromotoryczna ogniwa [V]. Równanie 1 wskazuje na bezpośredni związek między entalpią swobodną reakcji a siłą elektromotoryczną ogniwa, w którym ona przebiega. Wynika z tego, że określając zależność siły elektromotorycznej od temperatury można wyznaczyć entropię reakcji r S i entalpię reakcji r H. Podstawiając równanie 1 do zależności: ( G) T p = S (2) otrzymuje się wyrażenie określające entropię reakcji: E r S = zf (3) T p Powyższy wzór (3) umożliwia obliczenie entropii reakcji na podstawie współczynnika temperaturowego siły elektromotorycznej ogniwa. Znając wartość entropii reakcji można, korzystając z równania: r H = r G + T r S (4) obliczyć entalpię reakcji w danej temperaturze. Mierząc wartość siły elektromotorycznej ogniwa i określając jej zależność od temperatury można więc uzyskać dane termodynamiczne dla reakcji zachodzącej w ogniwie.

4 WYZNACZANIE FUNKCJI TERMODYNAMICZNYCH REAKCJI Z POMIARÓW SEM OGNIWA 4 III. WYKONANIE ĆWICZENIA Aparatura Kompensator, naczyńko termostatowane z trzema komorami, elektrody (Ag, Cu, Pb, Cd, Zn), 2 kolby miarowe na 50 ml, pipeta kalibrowana na 25 ml, naczyńko wagowe, tryskawka, lejek, łyżeczka, 8 przewodów. Klucz elektrolityczny (środkowa komora z dwoma spiekami) napełnia się wyłącznie nasyconym roztworem KNO 3. Odczynniki Do sporządzania roztworów katodowego i anodowego używa się soli Ag, Cu, Pb, Cd, Zn. Pomiary Dwukrotnie przepłukuje się wodą destylowaną wszystkie trzy komory naczyńka termostatowego. Następnie do środkowej komory, z dwoma spiekami, spełniającej rolę klucza elektrolitycznego wlewa się 8 cm 3 nasyconego roztworu KNO 3 i szczelnie zatyka się komorę korkiem gumowym. W kolbach miarowych przygotowuje się roztwory odpowiednich soli o stężeniach podanych w temacie ćwiczenia. Jeżeli sole ulegają hydrolizie, należy cofnąć hydrolizę przez dodanie do roztworu kilku kropel stężonego kwasu azotowego, aż do ustąpienia zmętnienia. Następnie zestawia się ogniwo pomiarowe. Najpierw jeszcze raz przepłukuje się wodą destylowaną dwie komory naczyńka termostatowanego, usuwa się w ten sposób roztwór, który mógł przeniknąć z klucza elektrolitycznego. Wymyte komory napełnia się po 15 cm 3, przygotowanymi uprzednio roztworami i zanurza do roztworów w komorach odpowiednie elektrody. Przed przystąpieniem do zestawienia układu pomiarowego należy dokładnie zapoznać się z instrukcją obsługi kompensatora. Po podłączeniu do kompensatora zestawionego ogniwa pomiarowego wykonuje się pomiary SEM badanego ogniwa w temperaturach podanych w temacie. Po zakończeniu pomiarów i wymyciu naczyńka termostatowanego do środkowej komory z dwoma spiekami, wlewa się 8 cm 3 wody destylowanej.

5 WYZNACZANIE FUNKCJI TERMODYNAMICZNYCH REAKCJI Z POMIARÓW SEM OGNIWA 5 IV. ZASADY BEZPIECZEŃSTWA I UTYLIZACJA ODPADÓW ODCZYNNIK KLASYFIKACJA ZAGROŻENIA ŚRODKI BEZPIECZEŃSTWA POSTĘPOWANIE Z ODPADAMI Siarczan (VI) cynku ZnSO 4 Octan cynku Zn(CH 3 COO) 2 (H302) (H302) H302 Działa szkodliwie po H318 powoduje poważne uszkodzenia oczu H302 Działa szkodliwie po P280 stosować rękawice ochronne/odzież ochronną/ochronę oczu/ochronę twarzy. P273 Unikać uwolnienia do środowiska P305 + P351 + P338 W PRZYPADKU DOSTANIA SIĘ DO OCZU: Ostrożnie płukać wodą przez kilka minut. Wyjąć soczewki kontaktowe, jeżeli są i można je łatwo usunąć. P262 Nie wprowadzać do oczu, na skórę lub na odzież. odpady z grupy O Siarczan(VI) kadmu CdSO 4 Chlorek kadmu CdCl 2 utleniająca (H272) (H301) H301 Działa toksycznie po H330 wdychanie grozi śmiercią H272 Może intensyfikować pożar; utleniacz. H301 Działa toksycznie po. P201 Przed użyciem zapoznać się ze specjalnymi środkami ostrożności. P260 Nie wdychać pyłu/dymu/gazu/mgły/par/rozpylonej cieczy. P284 Stosować indywidualne środki ochrony dróg oddechowych. P301+P310 W PRZYPADKU POŁKNIĘCIA: Natychmiast skontaktować się z OŚRODKIEM ZATRUĆ lub lekarzem. P310 Natychmiast skontaktować się z OŚRODKIEM ZATRUĆ lub lekarzem. P201 Przed użyciem zapoznać się ze specjalnymi środkami ostrożności. P260 Nie wdychać pyłu/dymu/gazu/mgły/par/rozpylonej cieczy. P284 Stosować indywidualne środki ochrony dróg oddechowych. P301+P310 W PRZYPADKU POŁKNIĘCIA: Natychmiast skontaktować się z OŚRODKIEM ZATRUĆ lub lekarzem. P310 Natychmiast skontaktować się z OŚRODKIEM ZATRUĆ lub lekarzem. Octan ołowiu Pb(CH 3 COO) 2 H351 Podejrzewa się, ze powoduje raka H410 Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne, powodując długotrwałe skutki P281 Stosować wymagane środki ochrony indywidualnej P308+P313 W przypadku narażenia lub styczności: Zasięgnąć porady/ zgłosić się pod opiekę lekarza. P314 W przypadku złego samopoczucia zasięgnąć porady/zgłosić się pod opiekę lekarza. odpady z grupy O

6 WYZNACZANIE FUNKCJI TERMODYNAMICZNYCH REAKCJI Z POMIARÓW SEM OGNIWA 6 Azotan(V) potasu KNO 3 Azotan(V) ołowiu Pb(NO 3 ) 2 utleniająca utleniająca (H272) (H302), Kontakt z materiałami zapalnymi może spowodować pożar. H272 Może intensyfikować pożar; utleniacz. H302 Działa szkodliwie po H318 powoduje poważne uszkodzenia oczu Ochrona oczu: konieczna - okulary ochronne typu gogle Ochrona rąk: konieczna - rękawice ochronne odporne na działanie chemikaliów wykonane z gumy nitrylowej lub inne dopuszczone przez producenta rękawic do kontaktu z tym produktem. Czas wytrzymałości materiału określa producent rękawic. P201 Przed użyciem zapoznać się ze specjalnymi środkami ostrożności. P305+P351+P338 W PRZYPADKU DOSTANIA SIĘ DO OCZU: Ostrożnie płukać wodą przez kilka minut. Wyjąć soczewki kontaktowe, jeżeli są i można je łatwo usunąć. Siarczan(VI) miedzi(ii) CuSO 4 (H302), drażniąca( H319, H315) H332 działa szkodliwie w następstwie wdychania H302 Działa szkodliwie po H315 działa drażniąco na skórę P305+P351+P338 W PRZYPADKU DOSTANIA SIĘ DO OCZU: Ostrożnie płukać wodą przez kilka minut. Wyjąć soczewki kontaktowe, jeżeli są i można je łatwo usunąć. Chlorek miedzi(ii) CuCl 2 szkodliwa, niebezpieczna dla środowiska H319 Działa drażniąco na oczy Działa szkodliwie po. Działa drażniąco na oczy i skórę. Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne; może powodować długo utrzymujące się niekorzystne zmiany w środowisku wodnym. Ochrona oczu: konieczna - okulary ochronne typu gogle Ochrona rąk: konieczna - rękawice ochronne odporne na działanie chemikaliów wykonane z gumy nitrylowej lub inne dopuszczone przez producenta rękawic do kontaktu z tym produktem. Czas wytrzymałości materiału określa producent rękawic. Azotan(V) srebra AgNO 3 utleniająca (H272) H272 Może intensyfikować pożar; utleniacz. H314 Powoduje poważne oparzenia skóry oraz uszkodzenia oczu P280 Stosować rękawice ochronne/odzież ochronną/ochronę oczu/ochronę twarzy P301+P330+P331 W PRZYPADKU POŁKNIĘCIA: Wypłukać usta. NIE wywoływać wymiotów. P305+P351+P338 PRZYPADKU DOSTANIA SIĘ DO OCZU: Ostrożnie płukać wodą przez kilka minut. Wyjąć

7 WYZNACZANIE FUNKCJI TERMODYNAMICZNYCH REAKCJI Z POMIARÓW SEM OGNIWA 7 soczewki kontaktowe, jeżeli są i można je łatwo usunąć. V. OPRACOWANIE WYNIKÓW W tabeli należy zestawić wartości siły elektromotorycznej ogniwa E zmierzone w określonej temperaturze. Następnie zmierzone wartości E należy przeliczyć na wartości standardowe i sporządzić wykres zależności E 0 = f(t). Korzystając z wykresu E 0 = f(t) wyznacza się wartość temperaturowego współczynnika siły elektromotorycznej ogniwa: E T o p Należy zwrócić uwagę, iż wyznaczone podczas zajęć laboratoryjnych wartości SEM nie są wartościami standardowymi! W dalszej części opracowania należy podać standardowe wartości funkcji termodynamicznych: a) Standardową entalpię swobodną reakcji zachodzącej w ogniwie, w poszczególnych temperaturach, oblicza się na podstawie wzoru: r G 0 = -zfe 0 b) Standardową entropię reakcji zachodzącej w ogniwie wyznacza się na podstawie zależności: r S 0 = z F E 0 T p c) Standardową entalpię reakcji, w poszczególnych temperaturach, oblicza się na podstawie równania: r H 0 = r G 0 + T r S 0

8 WYZNACZANIE FUNKCJI TERMODYNAMICZNYCH REAKCJI Z POMIARÓW SEM OGNIWA 8 VI. PYTANIA KONTROLNE 1. Jakie są typy elektrod, podać przykłady takich elektrod i reakcji elektrodowych. 2. Podać schemat ogniwa Westona i napisać równanie reakcji zachodzących na elektrodach oraz równanie reakcji sumarycznej w ogniwie. 3. Co to jest klucz elektrolityczny? Jakie jest jego zastosowanie i rola? Jakie warunki winny spełniać sole stosowane w kluczu elektrolitycznym i jakie sole są do tego celu używane? Jak zaznacza się klucz elektrolityczny w schemacie ogniwa? 4. Narysować schemat układu kompensacyjnego Poggendorff a do pomiaru SEM ogniw. Omówić jak wyliczyć SEM ogniwa na podstawie takich pomiarów. 5. Jakie pomiary należy wykonać i w jaki sposób na ich podstawie obliczyć współczynnik temperaturowy ogniwa. 6. Jak określa się pracę wykonaną przez ogniwo i jaki jest związek między SEM ogniwa a zmianami wartości podstawowych funkcji termodynamicznych reakcji zachodzącej w ogniwie. VII. LITERATURA 1. Praca zbiorowa pod redakcją A. Dorabialskiej, Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej, PWN, Warszawa 1955, s Praca zbiorowa Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1980, s K. Pigoń, Z. Ruziewicz, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1981, s L. Sobczyk, A. Kisza, K. Gatner, A. Koll, Eksperymentalna chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1982, s , G.M. Barrow, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 1971, s , Data ostatniej modyfikacji: