Лабораторная работа "Сборка и изучение принципа действия гальванического элемента"
Теоретический материал. Гальванический элемент состоит из двух разнородных (сделанных из разных веществ) электродов, опущенных в раствор электролита. Любой раствор электролита, например раствор поваренной соли в воде, состоит, как минимум, из двух веществ: одно из них — растворитель (в нашем случае вода), другое — растворенное вещество (поваренная соль). В растворе (в воде) растворенное вещество находится в виде молекул, атомов и ионов, которые окружены атомами, ионами или молекулами растворителя. Растворы однородны, поскольку в них отсутствует граница раздела между растворителем и растворенным веществом. Молекулы воды полярны, и под их действием в электролите ионы металла отрываются от поверхности своего электрода и переходят в жидкость (электролит). При этом электролит заряжается положительно, а на металлическом электроде появляется избыток электронов, т. е. он заряжается отрицательно. Благодаря взаимодействию электронов металла и ионов электролита на границе металл — жидкость возникает двойной электрический слой (рис. 39), который своим полем тормозит дальнейший переход ионов металла в электролит. В итоге на этой границе устанавливается равновесие зарядов. Оно не постоянно, так как зависит от вещества металла, от концентрации его ионов в растворе, от температуры электролита и т. д.
Рис. 39
Двойной электрический слой создает напряжение, или электродный потенциал, значение которого определяют, как известно из химии, по отношению к водородному электроду, т. е. электроду с нулевым потенциалом. Каждый металл имеет свой потенциал по отношению к водородному электроду (см. электрохимический ряд напряжений). Пример: для обнаружения электродного потенциала погружают в водный раствор NaCl (поваренной соли) цинковый электрод (стержень, пластинка), который «растворяется» в электролите. В результате на металлическом электроде образуется избыток электронов, в электролите — избыток ионов цинка: Zn = Zn2+ (выходят в раствор) + 2e− (остаются на электроде). Процесс такого растворения ограничивается электродным потенциалом, который препятствует поступлению новых ионов цинка в раствор. Скопление ионов цинка у поверхности цинкового электрода отодвигает одноименно заряженные ионы натрия и подтягивает к себе ближайшие ионы хлора (рис. 40), если электрод помещен в раствор хлорида натрия.
Рис. 40
При погружении в этот же электролит угольного электрода, который практически не растворяется, положительные ионы натрия и цинка из раствора частично переходят на этот электрод. Нерастворимость угольного электрода обеспечивает его потенциал, равный потенциалу раствора. Наличие двух электродов позволяет измерить напряжение (разность потенциалов) на этих электродах или напряжение на полюсах гальванического элемента. Для измерения напряжения на зажимах гальванического элемента к ним присоединяют вольтметр (см. рис. 40), который образует высокоомную внешнюю цепь. В этом случае электроны с цинкового электрода, где их избыток, через вольтметр переходят к угольному электроду, где их недостаток. В конечном счете движение электронов во внешней цепи частично нейтрализует заряд электролита, т. е. ослабляет электродный потенциал. Ослабление этого потенциала создает условия для перехода в раствор новых ионов цинка, и тем самым обеспечивается непрерывная работа гальванического элемента. Цель работы: смоделировать гальванические элементы из разных гальванических пар и измерить напряжения на их электродах. Приборы и материалы: комплект по электролизу (см. рис. 17), мультиметр, провода соединительные, электролит (раствор поваренной соли с концентрацией 2—3 г соли на 100 г воды), лампочка на подставке. Указания к работе: 1. Закрепите в кювете два угольных электрода и налейте в нее электролит до уровня, позволяющего не смачивать руки при смене электродов (рис. 41). Измерьте напряжение на зажимах электродов.
Рис. 41
2. Пару угольных электродов замените парой медных и снова измерьте напряжение. 3. Погружайте в раствор разные пары электродов: медь — уголь, цинк — медь, цинк — уголь. У каждого вновь полученного гальванического элемента измерьте напряжение и определите полярность электродов. 4. Результаты измерений и заключений запишите в таблицу 20.
Таблица 20 Гальванические пары
Напряжение U на электродах, В
Вещество электрода и его полярность Уголь — уголь Медь — медь Медь — уголь Медь — цинк Цинк — уголь
5. Для наблюдения явления поляризации в раствор погрузите электроды из цинка и угля. К полученному гальваническому элементу подключите низковольтную лампочку и наблюдайте за постепенным ослаблением яркости света, а также за выделением газа на анодном электроде, т. е. за поляризацией электрода. 6. Достаньте анод, освободите его от газовых пузырьков и снова погрузите в электролит. Наблюдайте за свечением лампочки. 7. Наблюдаемые в эксперименте явления объясните с позиции теоретических материалов к этой работе.
