VÁLASZOK

Elektromotoros erő mérése, galváncellák tanulmányozása

    1. Az olyan elektródokat nevezzün elsőfajú elektródoknak, melyekben az elektródreakcióban résztvevő fém saját ionjainak jól oldódó sóját tartalmazó oldatba merül. Lehetséges példák: ezüstelektród, Ag+ + e Ag; rézelektród, Cu2+ + 2e Cu stb.

    2. Az olyan elektródokat nevezzük másodfajú elektródoknak, melyekben az elektródreakcióban résztvevő fém saját rosszul oldódó sójával érintkezik és a rosszul oldódó só anionját tartalmazó oldatba merül. Lehetséges példák: ezüst/ezüst-klorid elektród, AgCl + e Ag + Cl- kalomel elektród, Hg2Cl2 + 2e 2 Hg + 2 Cl- stb.

    3. Az olyan elektródokat nevezzük redoxielektródoknak, melyekben az elektródreakcióban résztvevő redukált és oxidált anyag egyaránt az elektrolitban található meg, és a részvételükkel lezajló elektródreakció egy inert elektród (Pt, Au, C) felszínén megy végbe. Példa a szerves anyagok köréből: kinhidron elektród (kinon/hidrokinon redoxirendszer), Q + 2e +2H+ H2Q ; változó vegyértékű fémek egyes sói: hexacianoferrát(III)-hexacianoferrát (II) redoxirendszer: [Fe(CN)6]3- + e [Fe(CN)6]4- .

    4. Az olyan elektródokat nevezzük gázelektródoknak, amelyekben az elektródreakcióban résztvevő valamely anyag gáz halmazállapotú. Példa rá a hidrogénelektród: 2H+ + 2e H2. (Érdemes megjegyezni, hogy bár más gázhalmazállapotú anyagok részvételével is felírhatók bizonyos elektródreakciók, a gyakorlatban előforduló egyetlen reverzibilis gázelektród a hidrogénelektród.)

    5. Az elektromos feszültség egysége a volt, jele V; 1 V = 1 J×C-1. Az elektromos áram egysége az amper, jele A; 1 A = 1 C×s-1. Az áramsűrűség egysége: A×m-2. Az elektromotoros erő egysége a volt.

    6. Ohm törvénye: egy fogyasztón áthaladó áram és a fogyasztó kivezetésein mérhető feszültség egymással egyenesen arányosak, az arányossági tényező pedig a fogyasztó ellenállása. Képlettel: U = IR , ahol U a feszültség, I az áram és R az ellenállás . Ohm törvénye a transzportfolyamatokat leíró egyenletek körébe tartozik, és az elektromos töltésnek elektromos potenciálkülönbség hatására létrejövő transzportjára vonatkozik. Ugyanez általános esetben: j=kgradU, ahol j az áramsűrűség (a töltésvándorlás fluxusa), U az elektromos potenciál, k a fajlagos vezetés (a fajlagos ellenállás reciproka).

    7. A rézelektród elektródreakciója: Cu2+ + 2e Cu. A kalomel elektród elektródreakciója: Hg2Cl2 + 2e 2 Hg + 2 Cl-. A hidrogén elektród elektródreakciója: 2H+ + 2e H2 .

    8. Cellareakció potenciál: definiáló egyenlete: DrG = - zFEcell, ahol DrG a cellareakció szabadentalpia-változása, F a Faraday-állandó, z a cellareakció töltésszám-változása, Ecell pedig a cellareakció potenciál. Az egyenlet jobb oldalán a cella által végzett elektromos munka áll. A cellareakció potenciálja egyenlő lehet az elektromotoros erővel, ha a diffúziós potenciált sikerül kiküszöbölni. Ez esetben a definiáló egyenlet nem más, mint az energiamegmaradás törvénye egy galváncellára alkalmazva.

    9. A formális potenciál a Nernst-egyenlet állandója abban az esetben, ha azt nem termodinamikai adatokból kapjuk, hanem az elektromotoros erő koncentrációfüggéséből számítjuk. A Nerns-egyenlet aktivitásokkal felírva:

    ,

    a közepes aktivitási tényezőt tartalmazó kifejezést beleolvaztva a standardpotenciálba:

    ,

    így

    ,

    ahol E0' a formálpotenciál.

    10. Egy galváncella kapocsfeszültsége abban az esetben egyezik meg az elektromotoros erővel, ha a cellán nem folyik át áram (a cella terheletlen), és minden olyan fázishatáron egyensúly áll fenn, ahol ez egyáltalán lehetséges (fém/elektrolit határfelületek). Az elegyedő folyadékok határfelületén értelemszerűen nem lehet egyensúly, itt fellép a diffúziós potenciál.

    11. Az elektromotoros erő (EMF) terheletlen állapotban egyenlő a kapocsfeszültséggel (Ek). Terhelt cella esetén a kapocsfeszültség viszont az elektromotoros erőnél mindig kisebb, mivel az elektromotoros erő egy része a cella belső ellenállásán (Rb) esik, és csak egy része jut a külső fogyasztóra. Képletekkel: Ek = EMF - RbI (I a cellán átfolyó áram), és mivel I = Ek / Rk, Ek = EMF - RbEk / Rk (vagy átrendezéssel: EMF / Ek = (Rb + Rk) / Rk).

    12. (Rajzot lásd a praktikumban.) Ha En a normálelem elektromotoros ereje, Ex pedig a vizsgált celláé, akkor Ex = Enlx / ln, ahol ln a normálelemmel, lx pedig a vizsgált cellával párhuzamosan kapcsolt vezetőszakasz hossza kikompenzált állapotban (az ellenálláshuzalon átfolyó áram állandó).

    13. Ek = EMF - RbI (I a cellán átfolyó áram, EMF az elektromotoros erő, Ek a kapocsfeszültség), és mivel I = Ek / Rk, Ek = EMF - RbEk / Rk . Ábrázolva Ek-t Ek / Rk függvényében, a kapott egyenes meredeksége a belső ellenállás (-1)-szerese.

    14. A Daniell-elem celladiagramja: (lásd mérésleírás)

    15. A Weston-féle normálelem celladiagramja: (lásd mérésleírás)

    16. Az ezüst-klorid oldhatósági szorzata: LAgCl = [Ag+][Cl-]. Ebből az ezüstion koncentrációt behelyettesítve az ezüstelektródra felírt Nernst-egyenletbe:

    ,

    ahol

    .

    17. Az közepes aktivitási tényezőt a Debye-Hückel elmélet szerint főként az oldat ionerőssége határozza meg. Ezért a vizsgált ionok koncentrációjának változtatásával párhuzamosan a CuSO4 sóval „analóg" MgSO4 sót adunk a rendszerhez úgy, hogy az ionerősség állandó maradjon.

    18. Az elektródok polarizációjának elkerülése végett a kompenzált állapot ellenőrzésére a cellát csak pillanatokra csatlakoztatjuk az áramkörbe egy kapcsoló segítségével, és a galvanométeren sem áramot olvasunk le, csupán a műszer mutatójának kilendülését vagy mozdulatlanságát detektáljuk.

    19. A diffúziós potenciál inhomogén oldatkörnyezetben lép fel, és abból adódik, hogy adott só különféle ionjainak, illetve a különböző sók ionjainak a diffúziósebessége eltérő. Mivel azonban makroszkopikus töltésszétválás az oldaton belül nem történhet, a mozgékonyabb és kevésbé mozgékony ionok molekuláris szintű szétválása csak addig tart, míg a diffúziós potenciálkülönbség a további szétválást meg nem akadályozza. Az adott mérésnél a diffúziós potenciál a különféle elegyedésre képes oldatok határfelületén lép fel, pl. az elektródok feltöltéséhez használt oldatok és az áramkulcs között stb.

    20. Csereáramnak nevezzük a nyugalmi elektródon egyensúlyban lezajló elektródfolyamatok sebességét. Mivel egyensúlyban a katód- és anódfolyamat sebessége megegyezik, ezek bármelyike megegyezik a csereárammal is.