Forta electromotoare a pilei Daniell-Jacobi

Forta electromotoare a pilei Daniell-Jacobi

Scopul lucrarii

Se determina dependenta fortei electromotoare a pilei Daniell-Jacobi in functie de concentratia solutiei de electrolit si se calculeaza constanta de echilibru pentru procesul electrochimic din pila.

Introducere

Pilele electrochimice (sau elemente galvanice) sunt dispozitive in care, in procesele electrochimice, energia chimica se transforma in energie electrica.

Pilele electrochimice sunt alcatuite din doua semielemente unite printr-o punte de sare sau diafragma care impiedica amestecarea electrolitilor dar permite trecerea ionilor intre cele doua semielemente.

Fiecare semielement este format dintr-un e 545d31f lectrod:

anodul (-) este electrodul cu potentialul de electrod de reducere mai negativ unde are loc reactia de oxidare;

catodul (+) este electrodul cu potentialul de reducere mai pozitiv unde are loc reactia de reducere.

Pila Daniell-Jacobi este o pila electrochimica reversibila, reprezentata prin urmatorul lant electrochimic:

(-) Zn / ZnSO₄ (a₁) // CuSO₄ (a₂) / Cu (+) (4.2.1)

Cand circuitul electric este inchis la electrozi au loc simultan urmatoarele reactii electrochimice care genereaza curentul electric:

^{Anod (-):} (4.2.2)

^{Catod (+):}  (4.2.3)

Reactia globala: Zn + Cu²⁺Zn²⁺ + Cu  (4.2.4)

Tensiunea electromotoare E a unei pile electrochimice este diferenta dintre potentialele de electrod ale catodului, e_c si anodului, e_a

E = e e e_c e_a (4.2.5)

Reprezentarea schematica a pilei Daniell-Jacobi este prezentata in figura 4.2.1:

Fig. 4.2.1 Reprezentarea schematica a pilei Daniell-Jacobi

Se observa ca anodul de zinc se consuma in timp ce la catod se depune cupru.

Valorile numerice ale potentialului de electrod sunt date de relatia lui Nernst:

(4.2.6)

(4.2.7)

in care: e este potentialul de electrod standard;

R - constanta universala a gazelor ideale;

F- constanta lui Faraday (F = 96487.3 [C/Eg] = 23062.9 [cal/V·Eg]);

n - numarul de electroni transferati in reactia redox;

T - temperatura absoluta, [K];

a- activitatea termodinamica (a = f∙c; unde c este concentratia solutiei de electrolit, iar f - coeficientul de activitate).

Pentru solutii foarte diluate deci Pentru metale pure a = 1.

Tensiunea electromotoare a pilei respecta relatia lui Nernst:

(4.2.8)

Forta electromotoare standard a pilei este:

(4.2.9)

La temperatura de 298 K relatia (4.2.8) devine:

(4.2.10)

Din relatia (1.8) rezulta ca tensiunea electromotoare a unei pile depinde de concentratiile electrolitilor de la cei doi electrozi, de temperatura si de numarul de electroni implicati in procesul redox.

Lucrul electric produs de un element galvanic la presiune si la temperatura constanta este:

(4.2.11)

si (4.2.12)

Pentru DG < 0 sau ( E > 0) reactia electrochimica din pila are loc spontan, deci elementul galvanic debiteaza curent electric.

Constanta de echilibru pentru procesul electrochimic din pila reversibila se poate determina pe baza entalpiei libere de reactie:

(4.2.13)

Combinand relatiile (4.2.11) si (4.2.12) rezulta:   (4.2.14)

Aparatura si substante: electrod de zinc, electrod de cupru, punte de sare sau banda de hartie de filtru umezita in electrolit, milivoltmetru electronic, solutii de ZnSO₄ si CuSO₄ de diferite concentratii.

Mod de lucru

Ø      Se alcatuiesc succesiv urmatoarele pile:

I: (-) Zn / ZnSO₄ (c_ZnSO4 = 1 M) // CuSO₄ (c_CuSO4 = 1 M) /Cu(+)

II: (-) Zn / ZnSO₄ (c_ZnSO4 = 0,5M) // CuSO₄ (c_CuSO4 =1M) /Cu(+)

III: (-) Zn / ZnSO₄ (c_ZnSO4 = 0,1M) // CuSO₄ (c_CuSO4 = 1M) /Cu(+)

IV: (-) Zn / ZnSO₄ (c_ZnSO4 = 0,05M) // CuSO₄ (c_CuSO4 = 1M) /Cu(+)

V: (-) Zn / ZnSO₄ (c_ZnSO4 = 0,01M) // CuSO₄ (c_CuSO4 = 1M) /Cu(+)

Ø      Legatura dintre semielemente se face prin puntea de sare sau in absenta ei cu hartie de filtru umezita in solutia de electrolit.

Ø      Se conecteaza electrozii pilei la bornele milivoltmetrului electronic, respectand polaritatile si se masoara tensiunea electromotoare a pilei.

Rezultate si calcule

Ø      Se noteaza succesiv valorile tensiunii electromotoare determinate experimental pentru fiecare din cele 5 elemente galvanice.

Ø      Se calculeaza tensiunile electromotoare cu relatia (4.2.10) si se compara cu valorile determinate experimental.

Ø      In calcul se introduc: si valorile coeficientilor de activitate, f.

Ø      Se calculeaza constanta de echilibru pentru reactia redox din cele 5 pile electrochimice cu relatia (4.2.14) si se discuta valorile obtinute.

Ø      Se intocmeste urmatorul tabel:

Ø      Se reprezinta grafic dependenta E = f (c_Zn²⁺) pentru si se comenteaza.