Ćwiczenie III: WYZNACZENIE ENTALPII SWOBODNEJ, ENTALPII I ENTROPII REAKCJI W OGNIWIE CLARKA

Podobne dokumenty
TERMODYNAMIKA OGNIWA GALWANICZNEGO

K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Pt, Au

Podstawowe pojęcia 1

1. za pomocą pomiaru SEM (siła elektromotoryczna róŝnica potencjałów dwóch elektrod) i na podstawie wzoru wyznaczenie stęŝenia,

OGNIWA GALWANICZNE I SZREG NAPIĘCIOWY METALI ELEKTROCHEMIA

10. OGNIWA GALWANICZNE

Karta pracy III/1a Elektrochemia: ogniwa galwaniczne

TŻ Wykład 9-10 I 2018

PODSTAWY KOROZJI ELEKTROCHEMICZNEJ

Schemat ogniwa:... Równanie reakcji:...

10. OGNIWA GALWANICZNE

ELEKTRODY i OGNIWA. Elektrody I rodzaju - elektrody odwracalne wzgl dem kationu; metal zanurzony w elektrolicie zawieraj cym jony tego metalu.

SZEREG NAPIĘCIOWY METALI OGNIWA GALWANICZNE

Fe +III. Fe +II. elektroda powierzchnia metalu (lub innego przewodnika), na której zachodzi reakcja wymiany ładunku (utleniania, bądź redukcji)

POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

SZEREG NAPIĘCIOWY METALI OGNIWA GALWANICZNE

Cel ogólny lekcji: Omówienie ogniwa jako źródła prądu oraz zapoznanie z budową ogniwa Daniella.

wykład 6 elektorochemia

Entalpia swobodna (potencjał termodynamiczny)

NAPIĘCIE ROZKŁADOWE. Ćwiczenie nr 37. I. Cel ćwiczenia. II. Zagadnienia wprowadzające

Materiały do zajęć dokształcających z chemii nieorganicznej i fizycznej. Część V

ELEKTROCHEMIA. Podstawy

Akademickie Centrum Czystej Energii. Ogniwo paliwowe

Reakcje redoks polegają na przenoszeniu (wymianie) elektronów pomiędzy atomami.

BIOTECHNOLOGIA. Materiały do ćwiczeń rachunkowych z chemii fizycznej kinetyka chemiczna, 2014/15

Elektrochemia - szereg elektrochemiczny metali. Zadania

WYZNACZANIE FUNKCJI TERMODYNAMICZNYCH

Elektrochemia. potencjały elektrodowe. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.2 / 1. Elektrochemia potencjały elektrochemiczne

IV A. Reakcje utleniania i redukcji. Metale i niemetale

IV. Reakcje utleniania i redukcji. Metale i niemetale

POWTÓRKA Z ELEKTROCHEMII

(1) Przewodnictwo roztworów elektrolitów

Ć W I C Z E N I E 6. Nadnapięcie wydzielania wodoru na metalach

Reakcje redoks polegają na przenoszeniu (wymianie) elektronów pomiędzy atomami.

Elementy Elektrochemii

Ćwiczenie 25. Piotr Skołuda OGNIWA STĘŻENIOWE

Elektrochemia. Reakcje redoks (utlenienia-redukcji) Stopień utlenienia

prawa gazowe Model gazu doskonałego Temperatura bezwzględna tościowa i entalpia owy Standardowe entalpie tworzenia i spalania 4. Stechiometria 1 tość

Katedra Inżynierii Materiałowej

MA M + + A - K S, s M + + A - MA

ĆWICZENIE 16 Potencjały równowagowe elektrod siła elektromotoryczna ogniw.

WYKŁAD 13 Przewodnictwo roztworów elektrolitów. Konduktometria nanotechnologia II rok 1

1. Kryształy jonowe omówić oddziaływania w kryształach jonowych oraz typy struktur jonowych.

To jest. Ocena bardzo dobra [ ] energetycznych. s p d f. Ocena dobra [ ] izotopowym. atomowych Z. ,, d oraz f.

Fragmenty Działu 8 z Tomu 1 PODSTAWY ELEKTROCHEMII

Elektrochemia - prawa elektrolizy Faraday a. Zadania

Reakcje utleniania i redukcji. Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego

Pierwiastki bloku d w zadaniach maturalnych Zadanie 1. ( 3 pkt ) Zadanie 2. (4 pkt) Zadanie 3. (2 pkt) Zadanie 4. (2 pkt) Zadanie 5.

ELEKTROCHEMIA ZAKŁAD CHEMII MEDYCZNEJ POMORSKI UNIWERSYTET MEDYCZNY

Stany materii. Masa i rozmiary cząstek. Masa i rozmiary cząstek. m n mol. n = Gaz doskonały. N A = 6.022x10 23

Me a X b a Me b+ + b X a- + SO 4. =. W danej

Elektrochemia. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Ogniwa galwaniczne. Chem. Fiz. TCH II/15 1

Budowę ogniwa galwanicznego opiszemy na przykładzie ogniwa glinowo- -srebrowego, które przedstawiono na Rysunku 1.

ELEKTROGRAWIMETRIA. Zalety: - nie trzeba strącać, płukać, sączyć i ważyć; - osad czystszy. Wady: mnożnik analityczny F = 1.

TEST PRZYROSTU KOMPETENCJI Z CHEMII DLA KLAS II

Materiały elektrodowe

Ćwiczenie 2. Charakteryzacja niskotemperaturowego czujnika tlenu. (na prawach rękopisu)

Me a X b a Me b+ + b X a- + SO 4. =. W danej

Reakcje utleniania i redukcji

Ekstrakcja. Seminarium 7. 23/11/2015

Ćwiczenie V: ENTALPIA ROZPUSZCZANIA I NEUTRALIZACJI

Przetwarzanie energii: kondensatory

( liczba oddanych elektronów)

VII Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2014/2015

Funkcje termodynamiczne określają stan układu termodynamicznego

Wrocław dn. 22 listopada 2005 roku. Temat lekcji: Elektroliza roztworów wodnych.

KOROZJA ELEKTROCHEMICZNA i OCHRONA PRZED KOROZJĄ.

WYBRANE TECHNIKI ELEKTROANALITYCZNE

Wykład z Chemii Ogólnej i Nieorganicznej

ELEKTROCHEMIA. Wykład I

Terminy. Omówienie kolokwium I. Poprawa kolokwium I. Poprawa kolokwium II g. 15, s g. 15, s g. 15, s.

Wykład 10 Równowaga chemiczna

Fizykochemiczne podstawy elektrochemicznych metod analizy

I 2 + H 2 S 2 HI + S Wielkością charakteryzującą właściwości redoksowe jest potencjał redoksowy E dany wzorem Nernsta. red

3. RÓWNOWAGA CHEMICZNA

Ć W I C Z E N I E 5. Kinetyka cementacji metali

Elektrochemia. 2 Mg (s) + O 2 (g) 2MgO (s)

10 k. OGNIWA GALWANICZNE

MODUŁ. Elektrochemia

λ = Ćwiczenie 5K Wyznaczanie liczb przenoszenia oraz ruchliwości jonów w polu elektrycznym.

Al 2 O 3 anodowe utlenianie folii Al. TiO 2 nanotubes deliver drugs HRSEM nanotechweb.org. a. kotarba Zakład Chemii Nieorganicznej

Ogniwa galwaniczne. Chem. Fiz. TCH II/15 1

A4.05 Instrukcja wykonania ćwiczenia

Pytania przykładowe na kolokwium zaliczeniowe z Podstaw Elektrochemii i Korozji

MATERIAŁ DIAGNOSTYCZNY Z CHEMII

Elektrochemia. (opracowanie: Barbara Krajewska)

ZADANIA Z CHEMII Efekty energetyczne reakcji chemicznej - prawo Hessa

Ćwiczenia rachunkowe z termodynamiki technicznej i chemicznej Zalecane zadania kolokwium 1. (2014/15)

TERMOCHEMIA. TERMOCHEMIA: dział chemii, który bada efekty cieplne towarzyszące reakcjom chemicznym w oparciu o zasady termodynamiki.

Elektrochemia elektroliza. Wykład z Chemii Fizycznej str. 4.3 / 1

n liczba moli elektronów E siła elektromotoryczna ogniwa F = en A stała Faradaya C/mol

Jest to zasada zachowania energii w termodynamice - równoważność pracy i ciepła. Rozważmy proces adiabatyczny sprężania gazu od V 1 do V 2 :

Ćwiczenia audytoryjne z Chemii fizycznej 1 Zalecane zadania kolokwium 1. (2018/19)

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 2 Temat: Wyznaczenie współczynnika elektrochemicznego i stałej Faradaya.

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

1. Od czego i w jaki sposób zależy szybkość reakcji chemicznej?

Ć W I C Z E N I E 7 WPŁYW GĘSTOŚCI PRĄDU NA POSTAĆ OSADÓW KATODOWYCH MIEDZI

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Transkrypt:

Ćwiczenie III: WYZNACZENIE ENTALPII SWOBODNEJ, ENTALPII I ENTROPII Wrowadzenie REAKCJI W OGNIWIE CLARKA oracowanie: Urszula Lelek-Borkowska Celem ćwiczenia jest wyznaczenie odstawowych funkcji termodynamicznych na odstawie omiaru siły elektromotorycznej ogniwa Clarka. 1. Definicje Elektroda (ółogniwo) jest to rzewodnik elektronowy zanurzony w roztworze jonowym. Elektroda odwracalna ółogniwo w stanie równowagi, czyli takim, w którym reakcja elektrodowa rzebiega w obydwie strony z tą samą szybkością. Potencjał każdej elektrody odwracalnej można wyliczyć ze wzoru: 0 RT n E E ln a i zf i (1) gdzie: E 0 otencjał normalny elektrody, zmierzony wobec normalnej elektrody wodorowej, R stała gazowa, T temeratura bezwzględna, z ilość elektronów wymienionych w rocesie, F stała Faraday a (96 500C ładunek otrzebny do zobojętnienia jednego mola jednowartościowych jonów), a aktywność reagentu, n liczba moli reagentu z równania stechiometrycznego reakcji. Rozróżniamy nastęujące rodzaje elektrod: Elektrody ierwszego rodzaju ierwiastek w równowadze ze swoimi jonami. Elektrody te dzielimy na gazowe i metaliczne. Elektrody gazowe: Me X X n- rzewodnik metaliczny (najczęściej latyna), obmywany gazową ostacią ierwiastka, zanurzony w roztworze jonów danego ierwiastka. Na takiej elektrodzie zachodzi reakcja: Przykłady elektrod gazowych: X + ne X n- lub X X n+ + ne 1. elektroda chlorowa Pt Cl Cl -, na której zachodzi reakcja: Cl - Cl + e. elektroda tlenowa Pt O OH -, na której zachodzi reakcja: 4OH - O + H O + 4e 1

3. elektroda wodorowa Pt H H +, na której zachodzi reakcja: H H + + e Elektrodę wodorową, w której ciśnienie gazowego wodoru wynosi = 1atm. (101 35Pa), zaś aktywność jonów wodorowych równa jest jedności a = 1 rzyjęto za wzorcową (normalna elektroda wodorowa NEW) i rzyjęto, że jej otencjał jest równy zero (E NEW = 0). Potencjały wszystkich ozostałych elektrod odniesione do tej elektrody noszą nazwę otencjałów normalnych lub standardowych E 0. Elektrody metaliczne: Me Me z+ metal zanurzony w roztworze własnych jonów. Na takiej elektrodzie zachodzi reakcja: Me Me z+ + ze Przykłady elektrod metalicznych: 1. elektroda cynkowa: Zn Zn +, na której zachodzi reakcja: Zn Zn + + e. elektroda rtęciowa Hg Hg, na której zachodzi reakcja: Hg Hg + e Elektrody utleniająco-redukujące: Me Red Ox rzewodnik metaliczny w kontakcie z formą zredukowaną Red, która może rzechodzić w formę utlenioną Ox. Na takiej elektrodzie zachodzi reakcja: Red Ox + ze Przykłady elektrod utleniająco- redukujących: 1. elektroda żelazowo żelazawa Pt Fe + Fe 3+, na której zachodzi reakcja: Fe + Fe 3+ + e. elektroda manganowa Me Mn + MnO 4, na której zachodzi reakcja: Mn + + 4H O MnO 4 +8H + + 5e 3. Elektroda chinhydrynowa Me C 6 H 4 (OH) C 6 H 4 O, na której zachodzi reakcja: C 6 H 4 (OH) C 6 H 4 O +H + + e Co ciekawe, otencjał tej elektrody jest funkcją aktywności jonów wodorowych w roztworze, a więc H roztworu, może więc ona służyć do omiaru H. Elektrody drugiego rodzaju: Me 1 Me 1 A (s) Me A metal okryty swoją trudno rozuszczalną solą w równowadze z roztworem soli innego metalu o takim samym anionie. Na elektrodzie II rodzaju zachodzi reakcja: Me + A z- MeA (s) + ze

Potencjał takiej elektrody jest funkcją aktywności anionu A z-. Jeżeli w elektrodzie II rodzaju zastosujemy nasycony roztwór soli Me A (nas), to otencjał takiej elektrody jest stały i może ona służyć jako elektroda odniesienia, czyli elektroda, wobec której można mierzyć otencjały innych elektrod. Przykłady elektrod II rodzaju: 1. elektroda chlorosrebrna: Ag AgCl (s) Cl -, w rzyadku zastosowania nasyconego roztworu chlorku otasu Ag AgCl (s) KCl (nas) w warunkach standardowych jej otencjał wynosi: E 0 = 0,V,. nasycona elektroda kalomelowa (NEK): Hg Hg Cl (s) KCl (nas), E NEK = 0,44V. Nazwa elektrody ochodzi od kalomelu soli rtęci (I) Hg Cl. Ogniwo galwaniczne jest to układ dwóch elektrod, ołączonych ze sobą w taki sosób, że możliwa jest między nimi wymiana ładunków elektrycznych. Jeżeli obydwie elektrody są w stanie równowagi, to ogniwo jest ogniwem odwracalnym. Różnicę otencjałów wystęującą omiędzy elektrodami ogniwa odwracalnego nazywamy siłą elektromotoryczną (SEM). Ogniwo galwaniczne zaisujemy odając schematycznie: z 1, z wartościowości jonów metalu, - granica faz (najczęściej ciało stałe ciecz), Me 1 z 1 z Me1 Me Me - klucz elektrolityczny (ółrzeuszczalna membrana lub rzewodnik jonowy ozwalający na wędrówkę jonów, ale zaobiegający mieszaniu się roztworów). Należy amiętać, że z zais schematu ogniwa rozoczyna się od anody - elektrody oddającej elektrony, czyli tej na której wystęuje reakcja utleniania. reakcje: Przykładem ogniwa odwracalnego jest ogniwo Daniella Zn ZnSO 4 CuSO 4 Cu, w którym zachodzą Anoda: Zn Katoda: Cu + + e Zn + + e Cu Innym rodzajem ogniw galwanicznych są ogniwa stężeniowe są to ogniw zbudowane z takiego samego rodzaju elektrod, różniących się aktywnością elektrolitu: Me MeA c ) MeA c ) Me. Źródłem siły elektromotorycznej takiego ogniwa jest różnica aktywności. Jednym z częściej sotykanych ogniw jest akumulator ołowiowy Pb PbO H SO 4, H O PbSO 4 Pb, w którym zachodzą nastęujące reakcje: w trakcie rozładowywania: Anoda (+): Pb + + H O = PbO + 4H + + e, Katoda (-): Pb + + e = Pb ( 1 ( w trakcie ładowania (elektrolizy): Anoda (-): Pb = Pb + + e, Katoda (+): PbO + 4H + + e = Pb + + H O 3

3. Związek SEM ogniwa z funkcjami termodynamicznymi W warunkach izobaryczno izotermicznych elektroda wykazuje określony otencjał E. Warunkiem równowagi izobaryczno izotermicznej jest równość otencjału termodynamicznego i racy nieobjętościowej związanej z tym rocesem. G = W () Znając wyrażenie na racę elektryczną: W = zfe (3) otrzymujemy: G = zfe (4) Zgodnie z równaniem Gibbsa-Hemholtza dla rocesu odwracalnego: G = H TS (5) Dla, T = const otrzymujemy: G = H T S (6) Różniczkując owyższe równanie otrzymujemy: dg = S + Vd (7) więc dla = const: dg = S (8) czyli: dg = S (9) Oznacza to, że mierząc siłę elektromotoryczną ogniwa możemy wyznaczyć wartość entroii rocesu zachodzącego w ogniwie. Wstawiając do równania (9) wyrażenie (4) uzyskujemy: stąd: zf d( zfe) = S (10) = S (11) Wstawiając tak wyrażoną wartość S do równania (5) otrzymujemy: G = H T zf (1) 4

Przyrównując rawą stronę równania (1) do rawej strony równania (4) uzyskujemy: zfe = H TzF (13) skąd możemy wyliczyć zmianę entalii w funkcji SEM ogniwa: H = zfe + zft (14) Wyciągając rzed nawias stały czynnik ( zf) otrzymujemy: H = zf E T (15) Korzystając z rawa Kirchhoffa: H T = H 0 + T 98 C (16) można, znając zależność zmiany siły elektromotorycznej ogniwa od temeratury, wyliczyć także wartość zmiany ojemności cielnej układu: C = d H (17) Wstawiając do równania (17) wyrażenia ze wzoru (15), uzyskujemy ostatecznie: C = zft d E (18) Zadanie i sosób wykonania Ogniwem badanym jest ogniwo Clarka, w którym jedną elektrodę stanowi amalgamat cynku (10% roztwór cynku w rtęci) w równowadze z nasyconym roztworem uwodnionego siarczanu (VI) cynku, natomiast drugą rtęć metaliczna w równowadze z siarczanem (VI) rtęci (I). Schemat ogniwa można zaisać nastęująco: Zn (Hg) 10%wag. Zn ZnSO 4 7H O (nas) Hg SO 4(s) Hg W ogniwie tym zachodzi reakcja: Zn + Hg SO 4 + 7H O = ZnSO 4 7H O + Hg 5

3.1. Wykonanie ćwiczenia 1. Zmierzyć siłę elektromotoryczną (SEM) ogniwa Clarka w zakresie temeratur od 78 do 303K, co 5K stosując miernik otencjału, wyniki zaisać w tabeli na arkuszu srawozdania.. Pomiary rozocząć od najniższej temeratury, dodając odowiednią ilość lodu do wody w zlewce (termostacie). Podwyższenie temeratury można uzyskać rzez ostrożne odgrzanie wody za omocą grzałki mieszadła magnetycznego. W każdej temeraturze ogniwo należy termostatować rzez 5-10 minut. 3..Oracowanie wyników 1. Na odstawie danych termodynamicznych obliczyć entalię swobodną, entalię i entroię dla reakcji rzebiegającej w ogniwie Clarka. Potrzebne do obliczeń wartości standardowe entalii (cieeł tworzenia) entalii swobodnych tworzenia, bezwzględnych entroii oraz cieeł molowych od stałym ciśnieniem C ierwiastków i związków chemicznych biorących udział w rozatrywanej reakcji zamieszczono w tabeli 1. Korzystając z tych danych, należy wyliczyć na odstawie rawa Hessa zmiany entalii, entalii swobodnej, entroii i różnicę molowych ojemności cielnych dla omawianej reakcji, w temeraturze 98K, a nastęnie, korzystając z rawa Kirchhoffa, wyliczyć wartości tych funkcji dla temeratur, w których mierzono SEM ogniwa Clarka. Wartości obliczone wisać do tabeli na arkuszu srawozdania w kolumny z oisem oblicz. Potrzebne do obliczeń wzory: H T = H 0 + T 98 T C, S T = S 0 ΔC +, G T = H T - T S T T 98 Tabela 1. Wartości niektórych funkcji termodynamicznych w warunkach standardowych. C [kj/mol] [kj/mol] [J/mol K] [J/mol K] Hg (c) 0 0 77,4 7,8 ZnSO 4 7H O (s) -3075,6-560, 386,6 419, H O (c) -85,837-37,191 69,96 75,3 Hg SO 4(s) -74,00-63,9 00,75 19,8 Zn (s) 0 0 41,63 5,4 H 0. Wykreślić zależność SEM ogniwa od temeratury i obliczyć średni wsółczynnik temeraturowy z nachylenia rostej SEM = f (T). 3. Obliczyć wartości funkcji termodynamicznych z danych doświadczalnych. Wyliczone wartości wisać do tabeli na arkuszu srawozdania w kolumny z oisem dośw. 4. Porównaj wartości obliczone teoretycznie z wyznaczonymi z danych doświadczalnych. 5. Sformułuj wnioski wynikające z wartości oraz zmian w funkcji temeratury, wartości funkcji termodynamicznych wyliczonych teoretycznie i na odstawie danych doświadczalnych. G 0 S 0 Najważniejsze zagadnienia (ytania) 1. Definicje funkcji termodynamicznych i ich znaczenie raktyczne.. I i II zasada termodynamiki. 3. Prawo Hessa, rawo Kirchhoffa. 6

4. Elektrody, rodzaje elektrod. 5. Ogniwa odwracalne. Ogniwo Clarka, reakcje zachodzące w ogniwie. 6. Związek SEM ogniwa z funkcjami termodynamicznymi. Literatura P.W. Atkins, Podstawy chemii fizycznej, PWN, Warszawa 1996 Chemia fizyczna, raca zbiorowa. wyd. PWN, Warszawa 1965. Srawozdanie rzygotować wg załączonego wzoru 7

WYZNACZENIE ENTALPII SWOBODNEJ, ENTALPII I ENTROPII REAKCJI W OGNIWIE CLARKA Nazwisko: Imię: Wydział: Grua: Zesół: Data: Podis rowadzącego: Tabela. Wyniki omiarów SEM oraz wyniki obliczeń funkcji termodynamicznych: Tem. [K] 78 83 88 93 98 303 SEM [V] G [kj] H [kj] S [J/K] dośw. oblicz. dośw. oblicz. dośw. oblicz. Wnioski: 8