Ćwiczenie 18. Pomiar SEM ogniw (7C-1)
Opis teoretyczny: rozdz. 7.1-7.6 (str. 177-197).
Wykonanie ćwiczenia: [Ćwiczenie 7C-1 (str. 197-202)].Ćwiczenie w tej formie będzie
wykonywane po przeprowadzeniu zmian w wyposażeniu szafek. Nim to nastąpi należy
korzystać z opisu zadania 2 (z jedną zmianą), jak w ćwiczeniu 7C-1, opis zadań 1 i 3 podany
jest poniżej.
Instrukcje obsługi przyrządów: pH-jonometr CPI 501, lub pH-jonometr CPI 551
Woltomierze cyfrowe.
Komentarz szczegółowy do ćwiczenia 18
Ćwiczenie 18 różni się nieco od opisanego w podręczniku ćwiczenia 7C-l noszącego ten
sam tytuł. Ćwiczenie składa się z trzech zadań. Student wykonuje zadania 1 i 2 lub 1 i 3.
Zadanie 2 jest identyczne z zadaniem 2 opisanym w podręczniku na str. 200-202. Natomiast
zadania 1 i 3 różnią się i dlatego zostaną tu bardziej szczegółowo opisane. Cytowania,
numery stron, numery wzorów i schematów odnoszą się do podręcznika DOŚWIADCZENIA
FIZYKOCHEMICZNE, wyd.1 i wyd. 2 poprawione..
Zadanie 1 - Ogniwo Daniella
Celem zadania jest zmierzenie SEM ogniwa Daniella (patrz schemat (I) na str. 198 oraz
wyznaczenie potencjałów obu jego półogniw. Wyniki należy porównać z obliczonymi na
podstawie tablicowych wartości potencjałów standardowych E
∆
obu półogniw (patrz tabela
14.6 w podręczniku na str. 407).
Aparatura i wyposażenie: takie samo jak opisane w ćwiczeniu 7C-1.
Wykonanie:
Pobrać od laboranta elektrody miedziową, cynkową i półogniwo kalomelowe oraz ew.
czujnik temperatury Pt100. Elektrody oczyścić papierem ściernym (do każdej elektrody użyć
osobnego skrawka papieru ściernego) i zmontować ogniwo o schemacie:
Zn| 0,05 M ZnSO
4
|| 0,05 M CuS0
4
|Cu
(I)
W tym celu do otworów statywu tekstolitowego (patrz rys. 7.8 w podręczniku) wstawić
zlewki o pojemności 50 cm
3
napełnione odpowiednio roztworem CuSO
4
(prawy otwór) i
ZnSO
4
(lewy otwór). W gniazdach I i III zamocować odpowiednio elektrody Cu i Zn, a
roztwory połączyć kluczem elektrolitycznym. Wyprowadzenia „
+” i ,,–” w tekstolitowym
statywie połączyć z zaciskami pomiarowymi miernika. (jeśli jako miernika używa się pH-
jonometru wykorzystać kabel z wtyczką BNC, i przyłączyć czerwony kabel do zacisku ,,+”).
Zmierzyć kilkakrotnie SEM ogniwa (jeśli pomiary wykonuje się pH-jonometrem ustawić tryb
pracy na „mV”). Zanotować kilka kolejnych wyników pomiarów (E
zmirz
) i temperaturę
roztworów (czujnik Pt100 lub termometr laboratoryjny).
Sporządzić ogniwa o schematach:
Hg,Hg
2
Cl
2
| nasyc. KCl || 0,05 M CuSO
4
|Cu
(VII)
Hg,Hg
2
Cl
2
| nasyc. KCl || 0,05 M ZnSO
4
|Zn
(VIII)
pierwsze z nich (VII) utworzymy wyjmując klucz elektrolityczny i mocując półogniwo
kalomelowe w gnieździe II, drugie (VIII) zamieniając miejscami roztwory i elektrody
metalowe, pozostawiając natomiast w gnieździe II półogniwo kalomelowe (przed zanurzeniem
do nowego roztworu opłukać i osuszyć).
Zmierzyć kilkakrotnie SEM ogniwa (VII) = E
1
a następnie ogniwa (VIII) = E
2
.
Zanotować wyniki i obliczyć wartości średnie.
Opracowanie wyników:
• Obliczenie potencjałów półogniw Cu
2+
|Cu i Zn
2+
|Zn. Ponieważ, E
1
= E
Cu
2+
|Cu
– E
kal.
,
zaś E
2
= E
Zn
2+
|Zn
– E
kal.
, wobec tego potencjały półogniw Cu
2+
|Cu i Zn
2+
|Zn
znajdziemy dodając do zmierzonych wartości E
1
i E
2
potencjał półogniwa
kalomelowego (patrz tabela 14.7 C).
• Obliczenie SEM ogniwa Daniella z pomiarów SEM ogniw (VII) i (VIII) oraz na
podstawie danych tablicowych. Różnica E
l
- E
2
powinna być równa wartości E
zmierzonej w pierwszym pomiarze (sprawdzić jaka jest różnica pomiędzy tymi
wartościami). Wartość E można obliczyć ponadto z równania:
2+
2+
2+
2+
2+
2+
2+
2+
2+
2+
2+
2+
Zn
Cu
|Cu
Zn
|Zn
Cu
|Cu
Zn
|Zn
Cu
Zn
Zn
Cu
|Cu
Zn
|Zn
Cu
Cu
ln
2
ln
2
a
RT
E
E
E
E
E
F
a
m
RT
E
E
F
m
γ
γ
⊕
⊕
⊕
⊕
=
−
=
−
−
=
−
−
Przyjąć, że dla roztworów 0,05 M molalności (m)
są równe stężeniom molowym (c),
współczynniki aktywności jonów obliczyć znajdując w tablicach (np. Poradnik
fizykochemiczny) wartości średnich współczynników aktywności dla 0,05 M roztworów
CuS0
4
i ZnS0
4
, oraz zakładając, że
γ
Me
2+
=
γ
±
. Należy porównać wartości E ogniwa Daniela
otrzymane trzema różnymi metodami.
Zadanie 2 – Ogniwa stężeniowe
W części a) zależność SEM od molalności – wykonać jak opisano w podręczniku na str.200.
W części b) wyznaczenie iloczynu rozpuszczalności – należy roztwór 1. sporządzić przez
odmierzenie
20 cm
3
0,01 M AgNO
3
(zamiast 25 cm
3
) i dodać
25 cm
3
odczynnika strącającego
(zamiast 30 cm
3
), do sporządzenia roztworu 2. odmierzyć
20 cm
3
0,01 M AgNO
3
(zamiast 25
cm
3
) i dodać
30 cm
3
odczynnika strącającego (zamiast 35 cm
3
), pozostałe bez zmian.
Zadanie 3 -Pomiary pH
Zadanie to jest podobne do ćwiczenia
7C-3
opisanego w podręczniku na str. 205-208, z
którym należy się zapoznać.
Celem zadania jest zmierzenie pH roztworów:
a)
silnego kwasu (lub zasady) o dwóch różnych stężeniach,
b)
słabego kwasu o dwóch różnych stężeniach,
c)
roztworu buforowego sporządzonego wg zadanego przepisu,
d)
roztworu kontrolnego.
Aparatura i wyposażenie:
pH-jonometrmetr, elektroda zespolona (lub półogniwo szklane i kalomelowe ), elektroda
antymonowa, elektroda platynowa i półogniwo kalomelowe, czujnik Pt100, szkło
laboratoryjne i roztwory jak w ćwiczeniu 7C-3.
Wykonanie doświadczeń
W osobnych zlewkach przygotować
a)
Dwa roztwory silnego kwasu lub silnej zasady o stężeniach różniących się o rząd
wielkości (np. 0,1 M i 0,01 M lub 0,05 M i 0,005 M).
b)
Dwa roztwory CH
3
COOH o stężeniach jak w punkcie a).
c)
Roztwór buforowy, mieszając roztwory CH
3
COOH i CH
3
COONa w proporcjach
wskazanych przez prowadzącego ćwiczenia.
d) Roztwór kontrolny (przelać z butelki).
Każdy roztwór powinien znajdować się w osobnej zlewce, a zlewki winny być opisane.
Włączyć do sieci pH-jonometr, przyłączyć do gniazda BNC elektrodę zespoloną a do
właściwego gniazda wtykowego czujnik Pt100. Włączyć zakres pomiarowy: „pH”. Przed
przystąpieniem do pomiarów wykalibrować pH-jonometr na 3 roztwory buforowe postępując
zgodnie z instrukcja obsługi właściwego przyrządu.
Zmierzyć pH wszystkich roztworów opisanych w punktach a) - d), wstawiając kolejno
do każdej ze zlewek elektrodę zespoloną i czujnik Pt100, a następnie po ustaleniu się
wskazań odczytywać wartości pH. Każdy pomiar powtórzyć kilkakrotnie, wyniki zanotować i
obliczyć wartości średnie. Po pomiarach roztworów nie wylewać!
W miejsce elektrody zespolonej przyłączyć do pH-jonometru elektrodę antymonową
(elektroda wskaźnikowa) i półogniwo kalomelowe (porównawcze). Przełączyć pH-jonometr
na zakres pomiarowy „mV”. Elektrody zanurzyć w pierwszej zlewce, co spowoduje
powstanie ogniwa:
Sb,Sb
2
O
3
|H
3
O
+
||Cl
–
(nasyc. KCl)| Hg
2
Cl
2
,Hg
Zmierzyć SEM powstałego ogniwa. Zanurzając kolejno elektrody i czujnik Pt 100 do
następnych roztworów zmierzyć SEM powstałych ogniw. Roztworów nie wylewać,
pozostawić je w zlewkach do dalszych badań.
Wymienić elektrodę antymonowa na platynową, do zlewek z roztworami dodać po
szczypcie chinhydronu. Elektrody umieścić w pierwszym z roztworów i zmierzyć SEM
powstałego ogniwa:
Pt|C
6
H
4
O
2
, C
6
H
4
(OH)
2
, H
3
O
+
||Cl
–
(nasyc. KCl)| Hg
2
Cl
2
,Hg
W którego lewym półogniwie zachodzi reakcja:
C
6
H
4
O
2
+
2H
3
O
+
+
2e
=
C
6
H
4
(OH)
2
+
2H
2
O
gdzie C
6
H
4
O
2
(chinon) i C
6
H
4
(OH)
2
(hydrochinon) są składnikami chinhydronu, a ponieważ
znajdują się one tam w kompleksie 1:1 ich stężenie jest stałe, a potencjał półogniwa zależy
tylko od aktywności jonów wodorowych (czyli od pH roztworu). Należy zmierzyć SEM
ogniw powstałych przez zanurzenie elektrod do pozostałych roztworów.
Opracowanie wyników:
•
Zebrać w tabeli wartości pH zmierzone przy użyciu elektrody zespolonej.
•
Obliczyć pH roztworów zmierzonych elektrodą antymonową i chinhydronową. W tym
celu wyprowadzić równanie na zależność pH od SEM tych ogniw. Wartości
potencjału półogniwa kalomelowego i standardowego potencjału półogniwa
antymonowgo oraz chinhydronowego wziąć odpowiednio z tabel 14.7 C i 14.6, z
podręcznika.
•
Obliczyć pH
=
–log
a
H3O+
roztworów a) - c) znając ich stężenia (patrz ćwiczenie 7C-
3, str. 208 w podręczniku).
•
Porównać wyniki i przeprowadzić dyskusję.
Errata do rozdziału podręcznika
Str.
wiersz
jest
ma być
185 8g
zostało
będzie
185 16d
(
ν
e
= z
ν
–
)
(
ν
e
= |z
–
|
ν
–
)
186 3g
rys. 7.5D i E.
rys. 7.5.
186 11g
redoks
red-oks
186 10d
ν
ox
z
ox
–
ν
red
z
red
=
ν
e
|
ν
ox
z
ox
–
ν
red
z
red
| =
ν
e
186 7d
redox
redoks
187 4d
z
+
= z
–
= 1
z
+
= |z
–
| = 1
189
11d
(schemat
ogniwa)
2
2
nasyc
3
3
.
roztwór badany
roztwór HCl
membrana
szklana
Hg,Hg Cl |KCl
|| H O ( )
H O (
) | AgCl,Ag
x
wz
a
a
+
+
↑
M
2
2
nasyc
3
3
.
roztwór badany
roztwór HCl
membrana
szklana
Hg,Hg Cl |KCl
|| H O ( )
H O , Cl (
) | AgCl,Ag
x
wz
a
a
+
+
−
↑
M
190 11d
ze
że
202 5g
Ag ( )
l
a
+
= 0,01
γ
+
Ag ( )
p
a
+
= 0,01
γ
+
