Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Электродные потенциалы и электродвижущие силы






    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.

    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.

    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   +2 -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

    Процессы в гальванических элементах протекают самопроизвольно, следовательно, должны сопровождаться уменьшением энергии Гиббса. Действительно, DG0 = - nFЕ. Так как E > 0, то DG0 < 0.

    Прнмер 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-никелевогоаккумулятора?






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.