Работа № 6
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ
ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА КОМПЕНСАЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Цель работы: измерить компенсационным методом ЭДС гальванического элемента Якоби-Даниэля, сравнить полученные результаты с вычисленными теоретически, определить потенциалы отдельных электродов.

Аппаратура и реактивы: потенциометр постоянного тока Р 37-1; нормальный элемент Вестона; аккумулятор; гальванометр; медный и цинковый электроды; хлоридсеребряный электрод; электролитический мостик; растворы сульфата меди и сульфата цинка разных концентраций.

Электродвижущую силу (ЭДС) гальванического элемента измеряют компенсационным методом. Схема установки для измерения ЭДС компенсационным методом представлена на рис. 4.4.

Рис 4.4. Схема измерения ЭДС компенсационным методом:
1 - аккумулятор; 2 - подвижной контакт; 3 - гальванометр; 4 - исследуемый элемент;
5 - переключатель; 6 - нормальный элемент Вестона; 7 - АВ - реохордная линейка.

Источник постоянного тока (обычно электрический аккумулятор (1)) подключают к концам реохорда АВ; элемент, ЭДС которого измеряют, – к реохорду в точке А и через гальванометр (3) к подвижному контакту (2). Подвижной контакт позволяет брать от аккумулятора различные напряжения. Аккумулятор и исследуемый элемент (4) включают таким образом, чтобы их токи протекали навстречу друг другу, т. е. их электродвижущие силы  и  компенсировались.

Перемещая подвижной контакт (2) реохорда, находят такое его положение (C_x), при котором гальванометр (3) покажет отсутствие тока. Это означает, что падение потенциала, приходящееся на единицу длины реохордной линейки, на участке АС_х равно падению потенциала на участке AB.

Тогда можно записать следующее отношение:

Электродвижущая сила аккумулятора – величина постоянная, но точное ее значение неизвестно. Поэтому для компенсационных измерений обязательно требуется эталон – гальванический элемент, электродвижущая сила которого постоянна и известна. В качестве такого элемента обычно применяют нормальный элемент Вестона, ЭДС которого при температуре t можно вычислить по формуле:

Его включают в компенсационную установку вместо исследуемого элемента (или параллельно ему), (см. рис. 4.4) и определяют положение подвижного контакта () также, как для исследуемого элемента.

В этом случае можно написать следующее соотношение:

Приравняв правые части уравнений (4.20) и (4.21), получим выражение для вычисления ЭДС исследуемого элемента:

Методика проведения эксперимента. Для измерения ЭДС гальванического элемента собирают установку согласно схеме, приведенной на рис. 4.4. При точных измерениях ЭДС используют высокоомные потенциометры постоянного тока (Р 37-1, Р-307, Р 363), которые включают все элементы компенсационной установки. На панели прибора находятся клеммы для подключения вспомогательной аккумуляторной батареи, элемента Вестона, исследуемого элемента, гальванометра, присоединение которых осуществляют по схеме (плюс к плюсу).

Порядок измерения на потенциометре производят следующим образом. Составляют по заданию исследуемый элемент из двух полуэлементов и подключают его к клеммам потенциометра. Устанавливают температурную декаду в положение, отвечающее температуре опыта. Включают цепь нормального элемента и сначала грубо (при высоком сопротивлении цепи), а затем точно (при низком сопротивлении) путем кратковременных включений, вращением курбелей рабочего тока добиваются нулевого положения на гальванометре. Затем производят переключение на исследуемый гальванический элемент и вновь устанавливают нулевое положение уже с помощью измерительных декад сопротивления. Исследуемая ЭДС равна сумме показаний на всех декадах. Измерения следует производить с точностью до 0,2 - 0,3 мВ 2 - 3 раза.

1. Измерение ЭДС гальванического элемента. Составляют гальванический элемент Якоби – Даниэля. Для этого медный и цинковый электроды тщательно зачищают наждачной бумагой (непосредственно перед опытом). Электроды погружают в растворы своих солей соответствующих концентраций (схемы цепей приводятся ниже). Растворы между собой соединяют электролитическим мостиком. Затем исследуемый гальванический элемент подключают к схеме, измеряющей ЭДС. Результаты измерений заносят в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Значения ЭДС гальванических элементов и потенциалов отдельных электродов

 

Для изучения влияния концентрации растворов на величину ЭДС составляют следующие цепи:

2. Определение потенциалов отдельных электродов. Для определения величины потенциала медного и цинкового электродов составляют следующие гальванические элементы:

В качестве электрода сравнения используют хлоридсеребряный электрод (). В гальваническом элементе 4 хлоридсеребряный электрод играет роль отрицательного, а в элементе 5 - положительного электрода.

Электродвижущую силу исследуемых гальванических элементов измеряют с помощью потенциометра. Результаты измерений заносят в табл. 4.2.

Измерив ЭДС каждого элемента и зная потенциал электрода сравнения, вычисляют потенциал исследуемого электрода.

ЭДС гальванического элемента 4 равна:

откуда

Для гальванического элемента 5:

откуда

Оформление результатов.

1) Для гальванических элементов 1, 2, 3 теоретические значения ЭДС рассчитывают по формуле (4.13), а величину относительной ошибки (%) – по формуле

2) Для гальванических элементов 4, 5 экспериментальные значения электродных потенциалов вычисляют по формулам (4.23), (4.24), теоретические - по формуле (4.11). Затем находят относительную ошибку измерения.

Техника безопасности при выполнении работы. Измерительная схема должна быть проверена преподавателем. Нельзя допускать попадания жидкости на контакты схемы.

Вопросы для самоконтроля

1. Можно ли измерить ЭДС гальванического элемента с помощью вольтметра? Ответ поясните.

2. В чем заключается сущность компенсационного метода измерения ЭДС?

3. Какую роль при измерении ЭДС гальванических элементов выполняет элемент Вестона? Объясните его устройство, приведите условную форму записи и электродные реакции.

4. Объясните принцип работы элемента Якоби–Даниэля.

5. Как по величине и знаку ЭДС можно судить о направлении процесса в данном гальваническом элементе?

6. Как определить величину электродного потенциала? Укажите электроды сравнения, которые можно использовать в этом случае.

7. Составьте электрохимическую цепь, ЭДС которой равна:

а) потенциалу цинкового электрода в растворе сульфата цинка;

б) потенциалу медного электрода в растворе сульфата меди.