pobieranie: 09_Ogniwa galwaniczne
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA PRZEDMIOT: INŻYNIERIA POWIERZCHNI Ćwiczenie nr 9 Temat ćwiczenia: OGNIWA GALWANICZNE CEL ĆWICZENIA Poznanie budowy, zasady działania i pracy ogniw galwanicznych oraz metod pomiaru potencjału elektrodowego. Zapoznanie się ze zjawiskiem polaryzacji w ogniwie Daniella: Zn⏐ZnSO4⏐⏐CuSO4⏐Cu. I. WSTĘP Ogniwo galwaniczne dostarcza energię elektryczną w następstwie procesów utleniania i redukcji zachodzących w półogniwach. Przykładem ogniwa galwanicznego jest ogniwo Daniella. Ogniwo Daniella składa się z dwóch naczyń zawierających roztwory ZnSO4 i CuSO4, z zanurzonymi w nich elektrodami: cynkową i miedzianą. a) b)
Rys.1. Ogniwo Daniella: a) nie pracujące ogniwo, b) pracujące ogniwo zasilające odbiornik
Elektroda cynkowa jest w ogniwie anodą, a elektroda miedziana – katodą. Jeśli połączymy elektrody przewodnikiem, wówczas popłynie prąd elektryczny. Prąd płynie od katody do anody. Cynk, który ma niższy potencjał, utlenia się i przechodzi w stan jonowy ładując się ujemnie: Zn → Zn2+ + 2 e, natomiast miedź będąca metalem szlachetnym o wyższym potencjale standardowym ładuje się dodatnio: Cu2+ + 2 e → Cu.
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni -1-
Schematycznie ogniwo Daniella można przedstawić w sposób następujący: (+) Cu ⏐ CuSO4(aq) ⏐⏐ klucz elektrolityczny⏐⏐ ZnSO4(aq) ⏐ Zn (-) Roztwory te połączone są ze sobą kluczem elektrolitycznym. Klucz elektrolityczny jest to rurka szklana w kształcie litery U napełniona stężonym wodnym roztworem KCl lub KNO3 zmieszanym z żelem agar-agar, który uniemożliwia wypłynięcie roztworu. Klucz elektrolityczny umożliwia ruch jonów, ale roztwory nie ulegają wymieszaniu. W wyniku tego procesu elektroda cynkowa ( anoda ) będzie się stopniowo roztwarzała, a na elektrodzie miedzianej ( katodzie ) będzie się osadzać miedź.
o Potencjał elektrody cynkowej równy jest: E Zn = E Zn +
o Potencjał elektrody miedzianej równy jest: ECu = ECu
R ⋅T ⋅ ln C Zn 2 + , n⋅F R ⋅T + ⋅ ln C Cu 2 + , n⋅F
gdzie: E – potencjał elektrody ( V ), Eo – potencjał standardowy elektrody ( V ), R – stała gazowa ( 8,314
J ), mol ⋅ K
T – temperatura ( K ), n – wartościowość kationu metalu, F – stała Faraday’a ( 96484 C – stężenie molowe (
C ), mol mol ). dm 3
Siła elektromotoryczna ogniwa Daniella równa się różnicy potencjałów elektrody dodatniej i ujemnej:
o o SEM = ECu − E Zn = ECu − E Zn +
C 2+ C 2+ R ⋅T R ⋅T o o log Cu ⋅ ln Cu = ECu − E Zn + 2,303 C Zn 2 + 2F n⋅F C Zn 2 +
W przypadku gdy stężenia Zn 2+ i Cu 2+ są sobie równe, wówczas:
o o SEM o = E Cu − E Zn
gdzie: SEM o - standardowa siła elektromotoryczna ogniwa Daniella. Ogniwo stężeniowe jest zbudowane z dwóch jednakowych elektrod, zanurzonych do roztworów o różnych stężeniach. Ogniwo takie można przedstawić schematycznie w następujący sposób:
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni -2-
(+) Me ⏐ Men+(aq)⏐⏐ klucz elektrolityczny ⏐⏐Men+(aq) ⏐Me (-) C1 C2 Siła elektromotoryczna tego ogniwa równa się różnicy potencjałów: SEM = E1 - E2
E1 = E o + 2,303 E2 = E o + 2,303
R ⋅T ⋅ log C1 n⋅F
R ⋅T ⋅ log C 2 n⋅F C R ⋅T SEM = 2,303 log 1 n⋅F C2
W trakcie pracy ogniwa zachodzi zjawisko zmiany potencjału elektrod zwane zjawiskiem polaryzacji. Graficznym przedstawieniem tego zjawiska są wykresy Evansa. Przedstawiają one krzywe polaryzacji, czyli zmiany potencjału anody i katody w funkcji przepływającego przez ogniwo prądu.
Rys.2. Wykres Evansa. Ilustracja zjawiska polaryzacji ogniwie pracującym. ∆E k - polaryzacja katody,
w
∆E A - polaryzacja anody, I m - natężenie prądu.
Anoda staje się bardziej elektrododatnia (bardziej szlachetna), a katoda - bardziej elektroujemna (bardziej aktywna). Gdy rezystancja układu będzie bliska zeru, wtedy potencjały elektrod prawie wyrównają się osiągając wartość potencjału mieszanego E m , któremu odpowiada I m płynący w układzie. Polaryzacja hamuje pracę ogniwa, czyli zmniejsza prędkość procesów elektrodowych. Dane doświadczalne wykazują, że polaryzacja elektrod przebiega z początku procesu korozji bardzo szybko, później znacznie wolniej, a wreszcie bardzo słabo, aż do zaniku. II. PRZEBIEG ĆWICZENIA Przyrządy i odczynniki: woltomierz, 2 elektrody miedziane, 2 elektrody cynkowe, 2 elektrody kalomelowe nasycone, klucz elektrolityczny, naczyńka pomiarowe, termometr, papier ścierny, aceton, roztwory: CuSO4 i ZnSO4 o stężeniach: 1
mol mol ; 0,1 3 ; 3 dm dm
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni
-3-
0,01
mol mol ; 0,001 3 . 3 dm dm
Część 1: Oznaczanie potencjału elektrody. Oznaczyć potencjał elektrody przez pomiar SEM ogniwa zbudowanego z badanej elektrody oraz elektrody odniesienia (elektrody kalomelowej) – rys.4.
Rys.4. Schemat układu do oznaczenia potencjału elektrody: 1 – elektroda kalomelowa zanurzona do nasyconego roztworu KCl, 2 – badana elektroda (Zn lub Cu), 3 – roztwór elektrolitu (ZnSO4 – dla elektrody Zn, CuSO4 – dla elektrody Zn), do którego zanurzona jest elektroda badana.
Wykonanie doświadczenia: 1. Elektrody badane oczyścić papierem ściernym, opłukać wodą, odtłuścić acetonem i osuszyć. 2. Przygotować ogniwo według rys.4. kolejno dla elektrody cynkowej i miedzianej. 3. Zmierzyć wartość SEM. 4. Zmierzyć temperaturę. 5. Wyniki zapisać w tabeli:
Lp
półogniwo Me/Men+
temperatura
o
SEM zmierzona wzgl. NEK V
Eobl. względem NEK V
Eobl. ze wzoru Nernsta V
C
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni
-4-
Część 2: Oznaczenie SEM ogniw chemicznych.
Rys.5. Schemat ogniwa chemicznego: 1 – roztwór CuSO4, 2 – elektroda Cu, 3 – klucz elektrolityczny, 4 – elektroda Zn, 5 – roztwór ZnSO4
Wykonanie doświadczenia: 6. Przygotować ogniwo chemiczne według rys.5. 7. Zmierzyć wartość SEM dla podanych wartości stężeń Wyniki zapisać w tabeli:
Lp półogniwo I Me/Men+ półogniwo II Me/Men+ SEM zmierzona V SEM obliczona V
8. Przedstawić za pomocą schematu ogniwo chemiczne. 9. Opisać równaniami chemicznymi procesy zachodzące na katodzie i anodzie. Wskazać kierunek przepływu elektronów w ogniwach.
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni
-5-
Część 3: Oznaczenie SEM ogniw stężeniowych.
mA
powietrze
6
Fe
Fe
5% NaCl w H2O
Rys. 7. Schemat ogniwa stężeniowego tlenowego: 1,5 – roztwory elektrolitu4 ), 3 – klucz elektrolityczny, 2, 4 – elektrody Fe, 6 – wlot powietrza
Wykonanie doświadczenia: 10. Przygotować ogniwo stężeniowe według rys.6. 11. Zmierzyć natężenie prądu. Wyniki zapisać w tabeli: 12. Przedstawić za pomocą schematu ogniwo stężeniowe. 13. Opisać równaniami chemicznymi procesy zachodzące na katodzie i anodzie. Wskazać kierunek przepływu elektronów w ogniwie.
Lp półogniwo I Me/Men+ półogniwo II Me/Men+ I zmierzona mA
Literatura 1. Z.Jabłoński, Ćwiczenia laboratoryjne i rachunkowe z chemii ogólnej i technicznej, Skrypt Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 1984, 2. A. Śliwy, Obliczenia chemiczne, PWN Warszawa 1973, 3. E.Jagodzińska, Ćwiczenia laboratoryjne z chemii ogólnej, Skrypt Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 1999, 4. M.Kamiński, Ćwiczenia laboratoryjne z chemii ogólnej, Warszawa 1978, 5. J.Baszkiewicz, M.Kamiński, Podstawy korozji materiałów, Warszawa 1997.
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni
-6-
09_Ogniwa galwaniczne
POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA PRZEDMIOT: INŻYNIERIA POWIERZCHNI Ćwiczenie nr 9 Temat ćwiczenia: OGNIWA GALWANICZNE CEL ĆWICZENIA Poznanie budowy, zasady działania i pracy ogniw galwanicznych oraz metod pomiaru potencjału elektrodowego. Zapoznanie się ze zjawiskiem polaryzacji w ogniwie Daniella: Zn⏐ZnSO4⏐⏐CuSO4⏐Cu. I. WSTĘP Ogniwo galwaniczne dostarcza energię elektryczną w następstwie procesów utleniania i redukcji zachodzących w półogniwach. Przykładem ogniwa galwanicznego jest ogniwo Daniella. Ogniwo Daniella składa się z dwóch naczyń zawierających roztwory ZnSO4 i CuSO4, z zanurzonymi w nich elektrodami: cynkową i miedzianą. a) b)
Rys.1. Ogniwo Daniella: a) nie pracujące ogniwo, b) pracujące ogniwo zasilające odbiornik
Elektroda cynkowa jest w ogniwie anodą, a elektroda miedziana – katodą. Jeśli połączymy elektrody przewodnikiem, wówczas popłynie prąd elektryczny. Prąd płynie od katody do anody. Cynk, który ma niższy potencjał, utlenia się i przechodzi w stan jonowy ładując się ujemnie: Zn → Zn2+ + 2 e, natomiast miedź będąca metalem szlachetnym o wyższym potencjale standardowym ładuje się dodatnio: Cu2+ + 2 e → Cu.
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni -1-
Schematycznie ogniwo Daniella można przedstawić w sposób następujący: (+) Cu ⏐ CuSO4(aq) ⏐⏐ klucz elektrolityczny⏐⏐ ZnSO4(aq) ⏐ Zn (-) Roztwory te połączone są ze sobą kluczem elektrolitycznym. Klucz elektrolityczny jest to rurka szklana w kształcie litery U napełniona stężonym wodnym roztworem KCl lub KNO3 zmieszanym z żelem agar-agar, który uniemożliwia wypłynięcie roztworu. Klucz elektrolityczny umożliwia ruch jonów, ale roztwory nie ulegają wymieszaniu. W wyniku tego procesu elektroda cynkowa ( anoda ) będzie się stopniowo roztwarzała, a na elektrodzie miedzianej ( katodzie ) będzie się osadzać miedź.
o Potencjał elektrody cynkowej równy jest: E Zn = E Zn +
o Potencjał elektrody miedzianej równy jest: ECu = ECu
R ⋅T ⋅ ln C Zn 2 + , n⋅F R ⋅T + ⋅ ln C Cu 2 + , n⋅F
gdzie: E – potencjał elektrody ( V ), Eo – potencjał standardowy elektrody ( V ), R – stała gazowa ( 8,314
J ), mol ⋅ K
T – temperatura ( K ), n – wartościowość kationu metalu, F – stała Faraday’a ( 96484 C – stężenie molowe (
C ), mol mol ). dm 3
Siła elektromotoryczna ogniwa Daniella równa się różnicy potencjałów elektrody dodatniej i ujemnej:
o o SEM = ECu − E Zn = ECu − E Zn +
C 2+ C 2+ R ⋅T R ⋅T o o log Cu ⋅ ln Cu = ECu − E Zn + 2,303 C Zn 2 + 2F n⋅F C Zn 2 +
W przypadku gdy stężenia Zn 2+ i Cu 2+ są sobie równe, wówczas:
o o SEM o = E Cu − E Zn
gdzie: SEM o - standardowa siła elektromotoryczna ogniwa Daniella. Ogniwo stężeniowe jest zbudowane z dwóch jednakowych elektrod, zanurzonych do roztworów o różnych stężeniach. Ogniwo takie można przedstawić schematycznie w następujący sposób:
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni -2-
(+) Me ⏐ Men+(aq)⏐⏐ klucz elektrolityczny ⏐⏐Men+(aq) ⏐Me (-) C1 C2 Siła elektromotoryczna tego ogniwa równa się różnicy potencjałów: SEM = E1 - E2
E1 = E o + 2,303 E2 = E o + 2,303
R ⋅T ⋅ log C1 n⋅F
R ⋅T ⋅ log C 2 n⋅F C R ⋅T SEM = 2,303 log 1 n⋅F C2
W trakcie pracy ogniwa zachodzi zjawisko zmiany potencjału elektrod zwane zjawiskiem polaryzacji. Graficznym przedstawieniem tego zjawiska są wykresy Evansa. Przedstawiają one krzywe polaryzacji, czyli zmiany potencjału anody i katody w funkcji przepływającego przez ogniwo prądu.
Rys.2. Wykres Evansa. Ilustracja zjawiska polaryzacji ogniwie pracującym. ∆E k - polaryzacja katody,
w
∆E A - polaryzacja anody, I m - natężenie prądu.
Anoda staje się bardziej elektrododatnia (bardziej szlachetna), a katoda - bardziej elektroujemna (bardziej aktywna). Gdy rezystancja układu będzie bliska zeru, wtedy potencjały elektrod prawie wyrównają się osiągając wartość potencjału mieszanego E m , któremu odpowiada I m płynący w układzie. Polaryzacja hamuje pracę ogniwa, czyli zmniejsza prędkość procesów elektrodowych. Dane doświadczalne wykazują, że polaryzacja elektrod przebiega z początku procesu korozji bardzo szybko, później znacznie wolniej, a wreszcie bardzo słabo, aż do zaniku. II. PRZEBIEG ĆWICZENIA Przyrządy i odczynniki: woltomierz, 2 elektrody miedziane, 2 elektrody cynkowe, 2 elektrody kalomelowe nasycone, klucz elektrolityczny, naczyńka pomiarowe, termometr, papier ścierny, aceton, roztwory: CuSO4 i ZnSO4 o stężeniach: 1
mol mol ; 0,1 3 ; 3 dm dm
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni
-3-
0,01
mol mol ; 0,001 3 . 3 dm dm
Część 1: Oznaczanie potencjału elektrody. Oznaczyć potencjał elektrody przez pomiar SEM ogniwa zbudowanego z badanej elektrody oraz elektrody odniesienia (elektrody kalomelowej) – rys.4.
Rys.4. Schemat układu do oznaczenia potencjału elektrody: 1 – elektroda kalomelowa zanurzona do nasyconego roztworu KCl, 2 – badana elektroda (Zn lub Cu), 3 – roztwór elektrolitu (ZnSO4 – dla elektrody Zn, CuSO4 – dla elektrody Zn), do którego zanurzona jest elektroda badana.
Wykonanie doświadczenia: 1. Elektrody badane oczyścić papierem ściernym, opłukać wodą, odtłuścić acetonem i osuszyć. 2. Przygotować ogniwo według rys.4. kolejno dla elektrody cynkowej i miedzianej. 3. Zmierzyć wartość SEM. 4. Zmierzyć temperaturę. 5. Wyniki zapisać w tabeli:
Lp
półogniwo Me/Men+
temperatura
o
SEM zmierzona wzgl. NEK V
Eobl. względem NEK V
Eobl. ze wzoru Nernsta V
C
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni
-4-
Część 2: Oznaczenie SEM ogniw chemicznych.
Rys.5. Schemat ogniwa chemicznego: 1 – roztwór CuSO4, 2 – elektroda Cu, 3 – klucz elektrolityczny, 4 – elektroda Zn, 5 – roztwór ZnSO4
Wykonanie doświadczenia: 6. Przygotować ogniwo chemiczne według rys.5. 7. Zmierzyć wartość SEM dla podanych wartości stężeń Wyniki zapisać w tabeli:
Lp półogniwo I Me/Men+ półogniwo II Me/Men+ SEM zmierzona V SEM obliczona V
8. Przedstawić za pomocą schematu ogniwo chemiczne. 9. Opisać równaniami chemicznymi procesy zachodzące na katodzie i anodzie. Wskazać kierunek przepływu elektronów w ogniwach.
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni
-5-
Część 3: Oznaczenie SEM ogniw stężeniowych.
mA
powietrze
6
Fe
Fe
5% NaCl w H2O
Rys. 7. Schemat ogniwa stężeniowego tlenowego: 1,5 – roztwory elektrolitu4 ), 3 – klucz elektrolityczny, 2, 4 – elektrody Fe, 6 – wlot powietrza
Wykonanie doświadczenia: 10. Przygotować ogniwo stężeniowe według rys.6. 11. Zmierzyć natężenie prądu. Wyniki zapisać w tabeli: 12. Przedstawić za pomocą schematu ogniwo stężeniowe. 13. Opisać równaniami chemicznymi procesy zachodzące na katodzie i anodzie. Wskazać kierunek przepływu elektronów w ogniwie.
Lp półogniwo I Me/Men+ półogniwo II Me/Men+ I zmierzona mA
Literatura 1. Z.Jabłoński, Ćwiczenia laboratoryjne i rachunkowe z chemii ogólnej i technicznej, Skrypt Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 1984, 2. A. Śliwy, Obliczenia chemiczne, PWN Warszawa 1973, 3. E.Jagodzińska, Ćwiczenia laboratoryjne z chemii ogólnej, Skrypt Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 1999, 4. M.Kamiński, Ćwiczenia laboratoryjne z chemii ogólnej, Warszawa 1978, 5. J.Baszkiewicz, M.Kamiński, Podstawy korozji materiałów, Warszawa 1997.
OGNIWA GALWANICZNE – Inżynieria Powierzchni
-6-
