1
Řada napětí kovů, dle koho?
Jméno: ………………………………………………………………… Skupina: ……………
Jméno spolupracovníka: ………………………………………………………………… Datum: ……………………
Úvod
Vaši výzkumnou skupinu si najala firma „Beketovovy baterky“, abyste jim pomohli s vývojem nových baterií.
Firma si předem vybrala k výzkumu tyto kovy: Fe, Zn, Cu, Sn, Mn a Ag. Pomocí kovů a jejich iontů lze vyrábět
elektřinu. Jedna baterie vyžaduje dva kovy a jejich ionty. Vaším úkolem je těchto sedm kovů s jejich ionty
prozkoumat z hlediska jejich možného potenciálu poskytnout napětí, a tedy je doporučit k výrobě baterií
s největším napětím.
Cíle
- Sestavte jednotlivé elektrochemické články konstruované z kombinací šesti poločlánků kov/kation kovu.
- Sestavte řadu napětí kovů na základě vašich měření.
- Navrhněte konstrukci baterie, která poskytuje největší možné napětí při použití dostupných materiálů.
Než začneme s laborováním
1. Nejdříve si vzpomeňte na několik základních pojmů a vysvětlete je:
Oxidace Redukce
Anoda Katoda
2. Z čeho se skládá poločlánek a z čeho článek? Jak článek obvykle zapisujeme?
Postup práce
Pomůcky
filtrační papír, nůžky, nevodivá (plastová) podložka, voltmetr, dva vodiče
Chemikálie
nasycený vodný roztok dusičnanu draselného (………………………),
elektrody (Zn, Cu, Fe, Ag, Sn, Mn), vodné roztoky solí
o koncentraci 0,1 mol dm–3
(Zn2+
, Cu2+
, Fe2+
, Ag+
, Sn2+
, Mn2+
)
1. Sestavte si aparaturu dle Obr. 1 (připravte si 3 pruhy filtračního papíru
cca 15´2 cm a na nevodivé podložce z nich sestavte „hvězdu“).
2. Na konce proužků položte kousek kovu jako elektrodu.
3. Na konce proužků naneste několik (2-5) kapek 0,1M roztoku
soli daného kovu, ale pozor, aby se roztoky nenasákly až do
středu proužků! Takto jste připravili poločlánky.
4. Do středu „hvězdy“ naneste několik kapek nasyceného roztoku
KNO3 tak, aby došlo k vodivému propojení poločlánků, tedy se musí
dotýkat všech roztoků na okrajích proužků (= solný můstek). Obr. 1 Nákres aparatury pro měření článků
2
Vyhodnocení
A – Řada napětí kovů
5. Vyberte si jeden poločlánek (č 1) vůči kterému budete měřit napětí ostatních poločlánků (č 2). Na tento
poločlánek (č 1) vždy přiložte stejný měřící hrot voltmetru (stejný vodič), neměňte jej.
poločlánek č 1 poločlánek č 2 E / V
Pomocí naměřených hodnot seřaďte použité kovy do elektrochemické řady kovů – seřaďte je podle
vzrůstajícího elektrochemického potenciálu:
B – Konstrukce baterie (galvanického článku)
Na základě předchozího měření navrhněte hypotézu, která kombinace poločlánků by měla poskytovat
největší napětí, své tvrzení zdůvodněte:
6. Následně pomocí voltmetru proměřte napětí pro různé kombinace poločlánků. Vše zaznamenejte
do následující tabulky. Jednotlivé články v tabulce jsou seřazeny ve směru reakce na anodě k reakci
na katodě, tedy všechny naměřené hodnoty potenciálu zapisujte jako absolutní hodnoty.
poločlánek č 1 poločlánek č 2 E / V poločlánek č 1 poločlánek č 2 E / V
Cu(s)|Cu2+
(aq) Ag+
(aq)|Ag(s) Sn(s) | Sn2+
(aq) Cu2+
(aq) | Cu(s)
Sn(s) | Sn2+
(aq) Ag+
(aq)|Ag(s) Fe(s) | Fe2+
(aq) Cu2+
(aq) | Cu(s)
Fe(s) | Fe2+
(aq) Ag+
(aq)|Ag(s) Zn(s) | Zn2+
(aq) Cu2+
(aq) | Cu(s)
Zn(s) | Zn2+
(aq) Ag+
(aq)|Ag(s) Mn(s) | Mn2+
(aq) Cu2+
(aq) | Cu(s)
Mn(s) | Mn2+
(aq) Ag+
(aq)|Ag(s) Zn(s) | Zn2+
(aq) Fe2+
(aq)|Fe(s)
Fe(s) | Fe2+
(aq) Sn2+
(aq)|Sn(s) Mn(s) | Mn2+
(aq) Fe2+
(aq)|Fe(s)
Zn(s) | Zn2+
(aq) Sn2+
(aq)|Sn(s) Mn(s) | Mn2+
(aq) Zn2+
(aq)|Zn(s)
Mn(s) | Mn2+
(aq) Sn2+
(aq)|Sn(s)
Porovnejte vaši hypotézu s výsledky měření. Shodují se?
Závěr
Zformulujte závěr z tohoto cvičení – na základě vašich výsledků navrhněte baterii (článek), která bude dávat
největší napětí:
3
Doplňující otázky
1. Tabelované hodnoty standardního potenciálu poločlánku jsou měřeny pro jednotkovou aktivitu iontu
kovu v roztoku za standardních podmínek. V našem experimentu však pracujeme s roztoky solí
o koncentraci 0,1 mol dm−3
, tudíž napětí poločlánku nebude stejné jako pro jednotkovou aktivitu. Výši
této změny však můžeme odhadnout poměrně jednoduchým výpočtem.
Do následující tabulky doplňte vypočtený potenciál poločlánku pro námi použitou koncentraci solí při
298 K. Druhý sloupec v tabulce obsahuje standardní potenciál poločlánku.
K výpočtům použijte Nernst-Petersonovu rovnici, která popisuje závislost E na teplotě a aktivitě
redukované (např. 𝑎!") a oxidované (např. 𝑎!"!") formy. Aktivita čisté látky (kovové elektrody) je
jednotková (𝑎#$% = 𝑎&'( = 1).
𝐸 = 𝐸)
+
𝑅𝑇
𝑧𝐹
ln
𝑎*+
𝑎&'(
= 𝐸)
+
𝑅𝑇
𝑧𝐹
ln 𝑎*+
kde R je molární plynová konstanta (8,314 J K−1
mol−1
), z je počet přenesených elektronu a F je
Faradayova konstanta (96485 C mol−1
). Předpokládejte, že aktivita iontu je rovna molární koncentraci.
článek E0
/ V E / V
Ag+
(aq) | Ag(s) 0,799
Zn2+
(aq) | Zn(s) -0,763
Fe2+
(aq) | Fe(s) -0,441
Mn2+
(aq) | Mn(s) -1,180
Cu2+
(aq) | Cu(s) 0,337
Sn2+
(aq) | Sn(s) -0,140
2. Zhodnoťte, jak významná je změna potenciálu poločlánku oproti jejich standardním potenciálům, která
je způsobena použitím desetinové koncentrace solí. Zakroužkuj:
a. Jedná se o významnou změnu, kdy měření je dostatečně přesné, aby se tato nepřesnost projevila.
b. Jedná se o zanedbatelnou změnu, neboť vaše měření na filtračním papíře dává mnohem větší
chybu měření než je rozdíl potenciálů vyplývající z použití desetinové koncentrace.
3. Pomocí těchto tabelovaných hodnot vypočítejte očekávané napětí jednotlivých článků využitých
v úloze A. Příklad výpočtu napětí článku pro standardní napětí poločlánků:
Zn(s) | Zn2+
(aq) || Cu2+
(aq) | Cu(s)
𝐸,-$. 	=	 𝐸)
(Cu/0
(aq)	|	Cu(s)) −	 𝐸)
(Zn/0
(aq)	|	Zn(s))	= 	0,337 −	(−0,763)	= 	1,100	𝑉
𝐸,-$. 	=	 𝐸)
(Zn/0
(aq)	|	Zn(s))	−	 𝐸)
(Cu/0
(aq)	|	Cu(s))	=	−1,100	𝑉
Zamyslete se nad Nernst-Petersonovu rovnicí a výpočtem napětí článku a uveďte, pro které články
můžete jejich napětí vypočítat ze standardních potenciálu poločlánků, a u kterých musíte naopak vzít v
úvahu změnu potenciálu poločlánků v důsledku jiné než jednotkové koncentrace (aktivity) solí.
Nápověda:
𝐸,-$. = 𝐸(Cu/0
(aq)	|	Cu(s)) − 	𝐸(Zn/0(aq)=	Zn(s)>
= 𝐸)
(Cu/0
(aq)	|	Cu(s)) +
𝑅𝑇
𝑧𝐹
ln 𝑎!"!" − ?𝐸)
(Zn/0(aq)=	Zn(s)> +
𝑅𝑇
𝑧𝐹
ln 𝑎12!"@
= 𝐸)
(Cu/0
(aq)	|	Cu(s)) +
𝑅𝑇
2𝐹
ln 0,1 − 𝐸)
(Zn/0(aq)=	Zn(s)> −
𝑅𝑇
2𝐹
ln 0,1	
a. Pro všechny články mohu pro výpočet napětí využít standardní potenciály poločlánků.
b. Pro výpočet napětí článků mohu využít standardní potenciály poločlánků kromě:
c. Pro žádné články nemohu pro výpočet napětí využít standardní potenciály poločlánků.
4
Doplňte naměřené a očekávané hodnoty napětí článků do tabulky:
poločlánek č 1 poločlánek č 2 Eteoretická / V Epraktická / V
Ag+
(aq)|Ag(s)
Cu(s)|Cu2+
(aq)
Sn(s) | Sn2+
(aq)
Fe(s) | Fe2+
(aq)
Zn(s) | Zn2+
(aq)
Mn(s) | Mn2+
(aq)
4. Vzpomeňte si, nebo dohledejte v odborné literatuře, po kom je řada napětí kovů pojmenována?
5. Na základě odvozené elektrochemické řady kovů zkuste určit, které z těchto reakcí bude probíhat
samovolně, a které nikoliv.
Fe(s) + CuSO4(aq) à FeSO4(aq) + Cu(s) Fe(s) + ZnSO4(aq) à FeSO4(aq) + Zn(s)
Cu(s) + ZnSO4(aq) à CuSO4(aq) + Zn(s) Cu(s) + FeSO4(aq) à CuSO4(aq) + Fe(s)
Zn(s) + CuSO4(aq) à ZnSO4(aq) + Cu(s) Zn(s) + FeSO4(aq) à ZnSO4(aq) + Fe(s)
6. Proč se v této úloze jako solný můstek využívá dusičnan draselný, a nikoliv častěji používaný chlorid
draselný? Zdůvodněte i chemickou rovnicí nežádoucí reakce.