Karta pracy III/1a Elektrochemia: ogniwa galwaniczne

Transkrypt

1 Karta pracy III/1a Elektrochemia: ogniwa galwaniczne I. Elektroda, półogniwo, ogniowo Elektroda przewodnik elektryczny (blaszka metalowa lub pręcik grafitowy) który ma być zanurzony w roztworze elektrolitu (wodny roztwór kwasu lub soli). Półogniwo układ składający się z elektrody zanurzonej w roztworze odpowiedniego elektrolitu (np. blaszka miedziana zanurzona w wodnym roztworze CuSO 4 ). Półogniwo miedziowe płytka miedziowa zanurzona w roztworze wodnym CuSO 4 Ogniwo układ zbudowany z dwóch półogniw, w którym energia reakcji chemicznej zamieniana jest na energię elektryczną. II. Rodzaje ogniw galwanicznych 1. Ogniwo Daniella Przewód drut miedziany Klucz elektrolityczny rurka szklana wypełniona agarem, w którym zawierzony jest roztwór chlorku potasu

2 Schemat ogniwa: Zn Zn 2+ - półogniwo cynkowe Cu Cu 2+ - półogniwo miedziowe - przegroda porowata/ klucz elektrolityczny Anoda (-) : elektroda, na której zachodzi proces utlenienia: Zn Zn e - Katoda (+): elektroda, na której zachodzi proces redukcji: Cu e - Cu ( - ) półogniwo anoda katoda półogniwo (+) (-) Zn Zn 2+ Cu 2+ Cu (+) 2. Ogniowo Volty Schemat ogniwa : (anoda) ( - ) Zn H 2 SO 4 Cu (+) (katoda) Procesy elektrodowe w ogniwie: Zn + 2H + Zn 2+ + H 2 Elektroda cynkowa: anoda (-) ulega roztworzeniu, jej masa maleje, ponieważ do roztworu przechodzą kationy cynku Elektroda miedziowa: katoda (+) jej masa nie zmienia się, w trakcie pracy ogniwa wydziela się na niej gazowy wodór ( - ) anoda (+) katoda Zn Cu H 2 SO 4(aq) II. Przewidywanie kierunku procesu redukcji i utlenienia w ogniwie na podstawie szeregu na podstawie szeregu elektrochemicznego gdzie: E 1 < E 2 utl 1 utl 2 Zn 2+ /utl 1 Cu 2+ /utl 2 E 1 E 2-0,763V +0,345V red 1 red 2 Zn/red 1 Cu/red 2 wzrost potencjału standardowego [V] Na tej podstawie równanie reakcji w ogniwie: Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu

3 III. Potencjały standardowe półogniw metalicznych i siła elektromotoryczna ogniwa (SEM, E) 1. Potencjały standardowe półogniw: Półogniwo wzorcowe potencjał standardowego półogniwa wodorowego (elektrody wodorowej : Pt H 2 2H + ), którego E 0 w każdej temp. ma wartość 0,0V Elektroda wodorowa blaszka platynowa pokryta czernią platynową (rozdrobniona platyna) zanurzona w roztworze H + o stężeniu 1mol/dm 3 i opłukiwanej gazowym wodorem pod ciśnieniem 1013hPa Potencjał standardowy półogniwa wartość potencjału półogniwa mierzona w roztworach jednomolowych względem półogniwa wodorowego Potencjały standardowe półogniw metalicznych (szereg napięciowy metali) Każda następna elektroda w stosunku do poprzedzającej w szeregu, w ogniwie jest katodą Elektroda/ schemat półogniwa Reakcja elektrodowa E 0 [V] K K + K + + 1e - K - 2, 922 Ca Ca 2+ Ca e - Ca - 2, 870 Na Na + Na + + 1e - Na - 2,712 Mg Mg 2+ Mg e - Mg - 2,340 Al Al 3+ Al e - Al - 1,670 Mn Mn 2+ Mn e - Mn - 1,185 Zn Zn 2+ Zn e - Zn - 0,763 Cr Cr 3+ Cr e - Cr - 0,710 Fe Fe 2+ Fe e - Fe - 0,440 Cd Cd 2+ Cd e - Cd - 0,402 Tl Tl 1+ Tl + + 1e - Tl - 0,336 Co Co 2+ Co e - Co - 0,277 Ni Ni 2+ Ni e - Ni - 0,250 Sn Sn 2+ Sn e - Sn - 0,136 Pb Pb 2+ Pb e - Pb - 0,126 H 2 2H + 2H + + 2e - H 2 0, 000 Cu Cu 2+ Cu e - Cu + 0,345 Cu Cu + Cu + + 1e - Cu + 0, Hg Hg 2 2Hg + + 2e - 2Hg + 0,798 Ag Ag + Ag + + 1e - Ag + 0,799 Hg Hg 2+ Hg e - Hg + 0, 854 Pt Pt 2+ Pt e - Pt + 1,200 Au Au 3+ Au e - Au + 1, 420 Au Au + Au + + 1e - Au + 1,680 Każda poprzedzająca elektroda w stosunku do następnej w szeregu, w ogniwie jest anodą 2. Siła elektromotoryczna ogniwa (SEM / E = [V]) Siła elektromotoryczna ogniwa parametr chrakteryzujący zdolność ogniwa, która jest różnicą potencjałów półogniwa katodowego i anodowego: SEM ( E) = E 0 kat E 0 an = [V]

4 Przykład dla ogniwa cynkowo-miedziowego Schemat ogniwa: ( - ) Zn Zn 2+ Cu 2+ Cu (+) Reakcje elektrodowe: Zn Zn e - Cu e - Cu Równanie reakcji w pracującym ogniwie: Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu Obliczenie SEM : E 0 Cu2+ Cu = 0,345V E 0 Zn2+ Zn = - 0,763V SEM = E 0 Cu2+ Cu E 0 Zn2+ Zn = 0,345V (-0,763V) = 1,108V IV. Przykładowe zadania z rozwiązaniami Zad.1 Dysponując następującymi półogniwami: wodorowe, glinowe, srebrowe i platynowe: a) zapisz schematy wszystkich możliwych ogniw, b) zapisz reakcje elektrodowe, c) zapisz ogólne równanie reakcji w pracującym ogniwie, d) oblicz siłę elektromotoryczną ogniw. Rozwiązanie: ogniwo wodorowo-platynowe (-) Pt H 2 2H + Pt 2+ Pt (+) R. anodowa: H 2 2H + + 2e - ; r. katodowa: Pt 2+ +2e - Pt Równanie reakcji w pracującym ogniwie: H 2 + Pt 2+ 2H + + Pt SEM = 1,200V 0,0V = 1,2V ogniowo glinowo-platynowe (-) Al Al 3+ Pt 2+ Pt (+) R. anodowa: Al Al e - ; r. katodowa: Pt 2+ +2e - Pt Równanie reakcji w pracującym ogniwie: 2Al + 3Pt 2+ 2Al Pt SEM = 1,200V (- 1,670) = 2,87V ogniwo srebrowo-platynowe (-) Ag Ag + Pt 2+ Pt (+) R. anodowa: Ag Ag + + 1e - ; r. katodowa: Pt 2+ +2e - Pt Równanie reakcji w pracującym ogniwie: 2Ag + Pt 2+ 2Ag + + Pt SEM = 1,200V 0,799 = 0,401V ogniowo glinowo-wodorowe (-) Al Al 3+ 2H + H 2 Pt (+) R. anodowa: Al Al e - ; r. katodowa: 2H + +2e - H 2 Równanie reakcji w pracującym ogniwie: 2Al + 6H + 2Al H 2 SEM = 0,00V (- 1,670) = 1,67V ogniwo glinowo-srebrowe (-) Al Al 3+ Ag + Ag (+) R. anodowa: Al Al e - ; r. katodowa: Ag + +1e - Ag Równanie reakcji w pracującym ogniwie: Al + 3Ag + Al Ag SEM = 0,799 (- 1,670) = 2,469V

5 Zad2. Z ogniwa glinowo-srebrowego pobierano przez pewien czas energię, po zakończeniu pracy ogniwa płytkę glinową wyjęto, osuszono i zważono. Masa płytki zmalała o 0,54g. Oblicz, o ile gramów wzrosła masa płytki srebrnej. Rozwiązanie (-) Al Al 3+ Ag + Ag (+) Równanie reakcji w pracującym ogniwie: Al + 3Ag + Al Ag Reakcje elektrodowe: R. anodowa: Al Al e r. katodowa: Ag + +1e - Ag 1 3 obliczenie masy srebra Al + 3Ag + Al Ag 1mol + 3mole 1mol + 3mole 27g g 27g g Ubytek 27g z płytki glinowej powoduje wzrost masy o 321g płytki srebrnej: 27g Al g Ag 0,54g x x = 6,42g Zad.3 W trakcie pracy ogniwa Volty zbudowanego z elektrody miedziowej i cynkowej zanurzonej w 1mol/dm 3 roztworze kwasu siarkowego(vi) zebrano 1,12dm 3 wodoru (objętość mierzona w warunkach standardowych). Wskaż elektrodę, której masa uległa zmianie oraz oblicz różnicę w masie tej płytki. Rozwiązanie: Schemat ogniwa : ( - ) Zn H 2 SO 4 Cu (+) Procesy elektrodowe w ogniwie: Zn + 2H + Zn 2+ + H 2 1mol + 2mole 1mol +1mol 65g + 2mole 65g + 1mol Obliczenie moli wodoru w warunkach standardowych (T=298K, p = 1013hPa) Utlenieniu ulega cynk i przechodzi do roztworu, czyli masa płytki cynkowej ulega zmniejszeniu Obliczenie ubytku masy blaszki cynkowej 1 mol wodoru ubytek 65g cynku 0,0458 mola x x = 2,977g cynku

6 Zad. 5 Do roztworu siarczanu(vi) glinu zanurzono płytkę magnezu o masie 10g. Po pewnym czasie płytkę wyjęto, osuszono. Po zwarzeniu stwierdzono, że masa płytki wynosiła 8,5 gramów. Oblicz masę zredukowanego glinu (osadzanego na płytce magnezowej). Rozwiązanie: Równanie reakcji Al 2 (SO 4 ) 3 + 3Mg 3MgSO 4 + 2Al Bilans elektronowy: Al e - Al Mg Mg e Al SO Mg 3Mg SO Al Obliczenie masy glinu 2Al Mg 3Mg Al 1mole + 3mole 3 mole + 2 mole 2 27g g 3 24g g Na każde 2 mole glinu (54g), które osadza się na płytce magnezu do roztworu przechodzi 72g magnezu, czyli ubytek masy płytki m = 54g 72g = - 18g Ubytek masy po doświadczeniu m = 8,5g 10g = - 1,5g 18 ubytku masy osadzonego 54g glinu 1,5g ubytku masy x x = 4,5g glinu

7 Karta III/1b Ogniwa galwaniczne Nazwisko i imię.. ocena Zad.1. Do roztworu siarczanu(vi) cynku zanurzono płytkę glinu o masie 20g. Po pewnym czasie płytkę wyjęto, osuszono. Po zważeniu stwierdzono, że masa płytki wynosiła 22,5 gramów. Oblicz masę zredukowanego cynku (osadzanego na płytce glinu). Zad.2. W trakcie pracy ogniwa Volty zbudowanego z elektrody niklowej i chromowej zanurzonej w 1mol/dm 3 roztworze kwasu siarkowego(vi) zebrano 3 dm 3 wodoru (objętość mierzona w warunkach standardowych). Wskaż elektrodę, której masa uległa zmianie oraz oblicz różnicę w masie tej płytki. Zad.3. Z ogniwa chromowo-srebrowego pobierano przez pewien czas energię, po zakończeniu pracy ogniwa płytkę srebrną wyjęto, osuszono i zważono. Masa płytki wzrosła o 0,27g. Oblicz, o ile gramów zmalała masa płytki chromowej. Zad.4. Dysponując następującymi półogniwami: wodorowe, chromowe, cynkowe i miedziowe(cu Cu 2+) : a) zapisz schematy wszystkich możliwych ogniw zbudowanych z w/w półogniw, b) zapisz reakcje elektrodowe, c) zapisz ogólne równanie reakcji w pracującym ogniwie, d) oblicz siłę elektromotoryczną ogniw. Rozwiązania: