Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
При решении задач этого раздела см. табл. 8.
Процессы превращения химической энергии в электрическую и обратно называются электрохимическими. Превращение химической энергии в электрическую происходит в гальванических элементах, превращение электрической энергии в химическую осуществляется при электролизе.
Простейшая электрохимическая система состоит из двух электродов, соединенных проводниками первого и второго рода. Электроды имеют электронную проводимость (проводники первого рода) и находятся в контакте с раствором или расплавом электролита, обладающим ионной проводимостью (проводником второго рода).
При погружении металла в раствор электролита происходит взаимодействие поверхностных атомов металла с полярными молекулами воды, в результате которого гидратированные ионы металла переходят в раствор.
При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, заряжают его поверхностный слой отрицательно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла, образуется двойной электрический слой.
По мере увеличения концентрации катионов у поверхности металла скорость их перехода в раствор уменьшается, а скорость обратного процесса – перехода катионов на отрицательно заряженную поверхность металла – увеличивается. В результате этого при определенной концентрации катионов металла (зависит от природы Ме) в системе устанавливается подвижное равновесие:
Me +m H2O Ме(Н2O) + n ,
в растворе на металле
где п — число электронов, принимающих участие в процессе.
Двойной электрический слой, возникшийна границе металл — жидкость, характеризуется определенным скачком потенциала — электродным потенциалом. Абсолютные значения электродных потенциалов измерить невоможно. Поэтому обычно определяют относительные электродные потенциалы в определенных условиях, так называемые стандартные электродные потенциалы (j°).
Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью), равной 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25°С условно принимается равным нулю.
Располагая металлы в ряд по мере возрастанияихстандартных электродных потенциалов (j°), получаем ряд стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений).
Положение того или иного металла в ряду стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений) характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях. Чем меньше значение j°, тем более сильным восстановителем является данный металл в виде простого вещества, и тем меньшие окислительные способности проявляют его ионы, и наоборот.
Таблица 8. Стандартные электродные потенциалы (j°)
некоторых металлов
Электрод | j°,В | Электрод | j°,В | |
LI+/Li | -3,045 | Cd2+/Cd | -0,403 | |
Rb+/Rb | -2,925 | Со2+/Со | -0,277 | |
K+/K | -2,924 | Ni2+/Ni | -0,25 | |
Cs2+/Cs | -2,923 | Sn2+/Sn | -0,136 | |
Ва2+/Ва | -2,90 | Pb2+/Pb | -0,127 | |
Са2+/Са | -2,87 | Fe3+/Fe | -0,037 | |
Na+/Na | -2,714 | 2Н+/Н2 | -0,000 | |
Mg2+/Mg | -2,37 | Sb3+/Sb | +0,20 | |
Al3+/Al | -1,70 | Bi3+/Bi | +0,215 | |
Ti2+/Тi | -1,603 | Cu2+/Cu | +0,34 | |
Zr4+/Zr | -1,58 | Cu+/Cu | +0,52 | |
Mn2+/Mn | -1,18 | Hg /2Hg | +0,79 | |
V2+/V | -1,18 | Ag2/ Ag | +0,80 | |
Cr2+/Cr | -0,913 | Hg2+ /Hg | +0,85 | |
Zn2+/Zn | -0,763 | Pt2+ /Pt | +1,19 | |
Cr2+/Cr | -0,74 | Au3+ /Au | +1,50 | |
Fe2+/Fe | -0,44 | Au+ /Au | +1,70 |
Электродные потенциалы зависят от ряда факторов (природы металла, концентрации, температуры и др.). Эта зависимость выражается уравнением Нернста
где n – число электронов, участвующих в реакции;
F – постоянная Фарадея, 96500Кл;
- концентрация ионов металла.
При Т = 298 К уравнение Нернста имеет вид
(1)
Электродные потенциалы измеряют приборами, которые называют гальваническими элементами. Окислительно-восстановительная реакция, которая характеризует работу гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС (Е) элемента имеет положительное значение.
Е = jК - jА, (2)
где jК – потенциал катода;
jА – потенциал анода.
Анодом является электрод, на котором протекает процесс окисления, на катоде идет процесс восстановления. Очевидно, что потенциал анода более отрицателен по сравнению с потенциалом катода.
Процессы в гальванических элементах протекают самопроизвольно, следовательно, должны сопровождаться уменьшением энергии Гиббса. Действительно, DG0 = - nFЕ. Так как E > 0, то DG0 < 0.
Пример 1. Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем кобальта (табл. 8). Изменится ли это соотношение, если измерить потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 моль/л, а потенциал кобальта – в растворе с концентрацией 0,1 моль/л?
Решение. Электродный потенциал металла ( j ) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста (1).
Значения стандартных потенциалов для никеля и кобальта соответственно равны - 0,25 В и - 0,277 В. Определим электродные потенциалы этих металлов при заданных концентрациях:
Пример 2. Магниевую пластинку опустили в раствор его соли. При этом электродный потенциал магния оказался равен -2,41 В. Вычислите концентрацию ионов магния (в моль/л).
Решение. Подобные задачи также решаются на основании уравнения Нернста (см. пример 1):
Отсюда находим С = 4,4∙10-2.
Пример 3. Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной концентрацией 1 моль/л. Какой металл является анодом, какой катодом? Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его ЭДС.
Решение. Схема данного гальванического элемента
А (-) Mg Mg2+ || Zn2+ Zn (+) К
Вертикальная линейка обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две линейки — границу раздела двух жидких фаз — пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (-2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс
А (-): Mg0 - 2 е = Mg2+ (1)
Цинк, потенциал которого -0,763 В, — катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс
К (+): Zn2+ + 2 е = Zn0 (2)
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:
Mg + Zn2+ = Mg2+ +Zn
Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода. Так как концентрация ионов в растворе 1 моль/л, то ЭДС элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:
ЭДС = = 1,607 В.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
241. В два сосуда с голубым раствором медного купороса поместили в первый цинковую пластинку, а во второй - серебряную. В первом сосуде цвет раствора постепенно пропадает.
Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующей реакции.
242. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: а) CuS04; б) MgS04; в) Pb(NO3)2? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.
243. При какой концентрации ионов Zn2+ (в моль/л) потенциал цинкового электрода будет на 0,015 В меньше его стандартного электродного потенциала?
Ответ: 0,30 моль/л.
244. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса кадмиевой пластинки при взаимодействии ее с растворами:
а) AgNO3; б) ZnS04; в) NiS04? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.
245. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал -1,23 В. Вычислите концентрацию ионов Мn2+ (моль/л).
Ответ: 1,89∙10-2 моль/л.
246. Потенциал серебряного электрода в растворе AgNO3 составил 95% от значения его стандартного электродного потенциала. Чему равна концентрация ионов Ag+ (моль/л)?
Ответ: 0,20 моль/л.
247. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС медно-кадмиевого гальванического элемента, в котором [Cd2+] = 0,8 моль/л, а [Сu2+] = 0,01 моль/л.
Ответ: 0,68 В.
248. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых медь была бы катодом, а в другом — анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на аноде.
249. При какой концентрации ионов Сu2+ (моль/л) значение потенциала медного электрода становится равным стандартному потенциалу водородного электрода?
Ответ: 1,89∙10-12 моль/л.
250. Какой гальванический элемент называют концентрационным? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, опущенных: первый - в 0,01 н., а второй - в 0,1 н. растворы AgNO3.
Ответ: 0,059 В.
251. При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001М растворе, а другой, такой же электрод, — в 0,01 М растворе сульфата никеля.
Ответ: 0,0295 В.
252. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластин, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Pb2+] = [Mg2+] = 0,01 моль/л. Изменится ли ЭДС этого элемента, если концентрацию каждого из ионов увеличить в одинаковое число раз?
Ответ: 2,244 В.
253. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является катодом, а в другом — анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на аноде.
254. Железная и серебряная пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор серной кислоты. Составьте схему данного гальванического элемента и напишите электронные уравнения процессов, происходящих на аноде и на катоде.
255. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из пластин кадмия и магния, опущенных в растворы солей соответствующих металлов с концентрациями ионов:
[Mg2+] = [Cd2+] = 1 моль/л. Изменится ли значение ЭДС, если концентрацию каждого из ионов понизить до 0,01 моль/л?
Ответ: 1,967 В.
256. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин цинка и железа, погруженных в растворы их солей. Напишите электронные уравнения процессов, протекающих на аноде и на катоде. Какой концентрации надо было бы взять раствор соли железа [Fe2+], чтобы ЭДС элемента стала равной нулю, если [Zn2+] = 0,001 моль/л?
Ответ: 1,42∙10-14 моль/л.
257. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению
Ni + Pb(NO3)2 = Ni(NO3)2 +Pb. Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов. Вычислите ЭДС этого элемента, если [Ni2+] = 0,01 моль/л, [Pb2+] = 0,0001 моль/л.
Ответ: 0,064 В.
258. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке свинцового аккумулятора?
259. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке кадмий - никелевого аккумулятора?
260. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке железо - никелевого аккумулятора?
Дата публикования: 2014-11-18; Прочитано: 1392 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!