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 ZnSO4 || 0,05 M CuS04|Cu

(I)

W tym celu do otworów statywu tekstolitowego (patrz rys. 7.8 w podręczniku) wstawić zlewki o pojemności 50 cm3 napełnione odpowiednio roztworem CuSO4 (prawy otwór) i ZnSO4 (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 (Ezmirz) i temperaturę roztworów (czujnik Pt100 lub termometr laboratoryjny).

Sporządzić ogniwa o schematach:

Hg,Hg2Cl2| nasyc. KCl || 0,05 M CuSO4|Cu

(VII)

Hg,Hg2Cl2| nasyc. KCl || 0,05 M ZnSO4|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) = E1 a następnie ogniwa (VIII) = E2.

Zanotować wyniki i obliczyć wartości średnie.

Opracowanie wyników:

• Obliczenie potencjałów półogniw Cu2+|Cu i Zn2+|Zn. Ponieważ, E1 = ECu2+ |Cu – Ekal., zaś E2 = EZn2+|Zn – Ekal., wobec tego potencjały półogniw Cu2+|Cu i Zn2+|Zn znajdziemy dodając do zmierzonych wartości E1 i E2 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 El - E2 powinna być równa wartości E

zmierzonej w pierwszym pomiarze (sprawdzić jaka jest różnica pomiędzy tymi wartościami). Wartość E można obliczyć ponadto z równania:

⊕

⊕

RT

a 2+

Zn

E = E

− E

= E

− E

−

ln

2+

2+

2+

2+

Cu

|Cu

Zn

|Zn

Cu

|Cu

Zn

|Zn

2F

a 2+

Cu

⊕

⊕

RT

m

γ

2+

2+

Zn

Zn

= E

− E

−

ln

2+

2+

Cu

|Cu

Zn

|Zn

2F

m

γ

2+

2+

Cu

Cu

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 CuS04 i ZnS04, oraz zakładając, że γMe2+ = 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 cm3 0,01 M AgNO3 (zamiast 25 cm3) i dodać 25 cm3 odczynnika strącającego (zamiast 30 cm3), do sporządzenia roztworu 2. odmierzyć 20 cm3 0,01 M AgNO3 (zamiast 25

cm3) i dodać 30 cm3 odczynnika strącającego (zamiast 35 cm3), 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 CH3COOH o stężeniach jak w punkcie a).

c) Roztwór buforowy, mieszając roztwory CH3COOH i CH3COONa 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,Sb2O3|H3O+||Cl– (nasyc. KCl)| Hg2Cl2,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|C6H4O2, C6H4(OH)2, H3O+||Cl– (nasyc. KCl)| Hg2Cl2,Hg

W którego lewym półogniwie zachodzi reakcja:

C6H4O2 + 2H3O+ + 2e = C6H4(OH)2 + 2H2O

gdzie C6H4O2 (chinon) i C6H4(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 aH3O+ 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

(νe = zν–)

(νe = |z–|ν–)

186 3g

rys. 7.5D i E.

rys. 7.5.

186 11g

redoks

red-oks

186 10d

νoxzox – νredzred = νe

|νoxzox – νredzred| = νe

186 7d

redox

redoks

187 4d

z+ = z– = 1

z+ = |z– | = 1

11d

Hg,Hg Cl |KCl

|| H O+ (a ) M H O+ (a ) | AgCl,Ag

Hg,Hg Cl |KCl

|| H O+ (a ) M H O+ , Cl− (a ) | AgCl,Ag

189 (schemat

2

2

nasyc

3

x

3

wz.

2

2

nasyc

3

x

3

wz.

↑

↑

roztwór badany

roztwór HCl

roztwór badany

roztwór HCl

membrana

membrana

ogniwa)

szklana

szklana

190 11d

ze

że

202 5g

a

a +

= 0,01γ

Ag+

= 0,01γ

(l )

+

Ag ( p)

+

202 13g

(7.42),

(7.44),

0, 01

−

−

wzór

c

V

V

| z | c

V

0, 01V

Me X

Me X

AgNO

−

Me X

Me X

AgNO

+

ν

202

ν−

ν−

3

| z |

ν

+

3

c

=

z−

(7.46)

c

−

=

X

z (V

+V

)

Xz−

V

+V

−

Me

X

AgNO

ν +

3

Me X

AgNO

ν−

3