Химия (стр. 14 )

1) реакция окисления цинка: Zn – 2e-→ Zn2+.

Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых идут процессы окисления, называют анодами;

2) реакция восстановления ионов меди: Сu2+ + 2e - → Cu

Процессы восстановления в электрохимии получили название катодных процессов, а электроды, на которых идут процессы восстановления, называют катодами;

3) движение электронов во внешней цепи;

4) движение ионов в растворе: анионов (SO) к аноду, катионов (Cu2+, Zn2+) к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента. Суммируя электродные реакции, получаем: Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu.

Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т. е. образуется замкнутая электрическая система и в ней возникает электрический ток. Суммарная химическая реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей

Электрический ток, возникающий в данной электрохимической системе, численно характеризуется величиной электродвижущей силы (э. д.с.) элемента. Она равна разности электродных потенциалов катода и анода:

Е = j к – j а (4.3)

В стандартных условиях самопроизвольное протекания химической реакции возможно, когда максимальная полезная работа, совершаемая в результате данной реакции, равна отрицательной величине изменения свободной энергии:

А = – DG0 (4.4)

В гальваническом элементе, совершаемая максимальная электрическая работа в стандартных условиях равна, э. д.с. элемента, умноженное на количество электричества (nF), т. е.

А = nFE0 (4.5)

где n – число электронов, участвующих в реакции;

F – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/моль;

Е0 – стандартная э. д.с. гальванического элемента (Т=298К, концентрация электролитов равна 1 моль/дм3)

Таким образом, максимальная работа гальванического элемента равна:

А = – DG0 = nFE0 (4.6)

Е0 = – DG0 /nF (4.7)

Гальванические элементы в зависимости от природы электродов и концентрации электролитов разделяют на: химические и концентрационные.

Химические гальванические элементы – это такие элементы, где электроды и электролиты различны. Примером химического гальванического элемента является элемент Якоби-Даниэля.

Концентрационные гальванические элементы – это такие элементы, которые состоят из одинаковых электродов, но концентрации электролитов различны. Пример: серебряные электроды, погруженные в растворы нитрата серебра, разной концентрации:

Ag | AgNO3 (0,01моль/дм3) || AgNO3 (0,1моль/дм3) | Ag.

Пример 1. Гальванический элемент состоит из металлического цинка, погруженного в раствор нитрата цинка с молярной концентрацией 0,1 моль/дм3, и металлического свинца, погруженного в раствор нитрата свинца с молярной концентрацией 0,02 моль/дм3. Вычислите э. д.с. элемента, напишите уравнения электродных процессов, составьте схему элемента.

Решение.

Чтобы определить э. д.с. элемента, необходимо вычислить электродные потенциалы по уравнению Нернста (7.1):

j Men+/ Me = j0 Men+/ Me + lg cMen+

j zn2+/ zn0 = – 0,76 + 0,03•(–1) = – 0,79 В.

j Pb2+/ Pb0 = – 0,13 + 0,03•(–1,7) = – 0,18 В.

Находим э. д.с. элемента по формуле (4.3): Е = j к – j а

Е = j Pb2+/ Pb0 – j Zn 2+/ Zn 0 = – 0,18 – (–0,79) = 0,61В.

Поскольку j Pb2+/ Pb0 > j Zn 2+/ Zn 0, то на свинцовом электроде будет происходить восстановление, т. е. он будет служить катодом:

РЬ2+ + 2е = РЬ.

На цинковом электроде будет протекать процесс окисления: Zn = Zn2+ + 2e,

т. е. этот электрод будет анодом.

Схема рассматриваемого гальванического элемента имеет следующий вид:

А (–) Zn | Zn(NO3)2 || Pb(NO3)2 | Pb (+) К

Ответ: 0,61 В.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

1.  Какие из указанных металлов: медь, цинк, железо будут взаимодействовать с раствором, содержащим серную кислоту концентрации 0,05 моль/дм3? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций, протекание которых возможно. Какая масса металла необходима для вытеснения 2,24 дм3 водорода (н. у.)?

2.  Что такое электрод? К какому типу реакций относятся электрохимические реакции? Приведите схему свинцового электрода и рассчитайте величину его равновесного электродного потенциала при концентрации ионов Pb2+, равной 10-2 моль/дм3 .

3.  Составьте схему гальванического элемента, состоящего из никелевой пластины, погружённой в раствор нитрат никеля с концентрацией соли, равной 0,01 моль/дм3 и свинцовой пластины, погруженной в раствор нитрата свинца с концентрацией соли, равной 0,1 моль/дм3. Напишите уравнения электродных реакций. Рассчитайте э. д.с. элемента. Анодом или катодом является никелевый электрод и каков его знак?

4.  Какие из указанных металлов: цинк, кадмий, медь будут вытеснять железо из раствора сульфата железа (II)? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций, протекание которых возможно. Какая масса металла требуется для выделения одного грамма железа

5.  Что называется стандартным водородным электродом? Какие электроды называют стандартными? Приведите схему водородного электрода и рассчитайте величину его равновесного электродного потенциала при pН=10.

6.  Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов и вычислите э. д.с. гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, погружённых в растворы AgNO. Первый в электролит с концентрацией соли, равной 0,1 моль/дм3, а второй - с концентрацией соли, равной 0,01 моль/дм3. Анодом или катодом является первый электрод?

7.  Какие из указанных металлов: медь, никель, серебро будут вытеснять водород из раствора с концентрацией серной кислоты, равной 0,05 моль/дм3? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций, протекание которых возможно. Какая масса металла необходима для получения 4,48 дм3 водорода (н. у.)?

8.  Какие существую типы электродов? Приведите примеры 2-х металлических электродов, их схему и уравнения электродных реакций. Рассчитайте величину электродных потенциалов приведенных электродов при концентрации ионов сМеn+ = 10-3моль/дм3.

9.  Составьте схему гальванического элемента, в котором токообразующей реакцией является: Zu + Cu= Zu+ Cu. Рассчитайте э. д.с. гальванического элемента, если концентрация электролитов в растворах равна 0,1 моль/дм3. Напишите уравнения электродных процессов

10. Какие из указанных металлов: хром, никель, свинец будут вытеснять кадмий из раствора нитрата кадмия? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций, протекание которых возможно. Какая масса металла необходима для получения 1 Г 1 г. кадмия.

11. Какие электроды называют электродами первого ряда? Приведите схему газового электрода первого ряда и уравнение электродной реакции. Рассчитать электродный потенциал водородного электрода при парциальном давлении газа ргаз= 101 кПа и концентрации электролита 0,1 моль/дм3.

12. Составьте схему концентрационного гальванического элемента из хромовых электродов, погруженных в растворы ионов Cr3+, имеющих концентрации 0,01 и 0,001 моль/дм3. Рассчитайте э. д.с. данного гальванического элемента.

13. Какие из указанных металлов: бериллий, марганец, серебро будут вытеснять водород из раствора с концентрацией серной кислоты, равной 0,05 моль/дм3? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций, протекание которых возможно. Какая масса металла необходима для получения 5,6 дм3 водорода (н. у.)?

14. Какие электроды называют электродами второго ряда? Приведите схему и уравнение электродной реакции каломельного электрода. Рассчитайте величину равновесного электродного потенциала при сCl - = 103 моль/дм3.

15. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из медного электрода и стандартного водородного электрода. Рассчитайте э. д.с. этого гальванического элемента, если концентрация ионов Сu2+ в растворе электролита равна 0,01 моль/дм3. Напишите уравнения электродных процессов.

16. Какие из указанных металлов: никель, железо, серебро будут вытеснять медь из раствора нитрата меди? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций, протекание которых возможно. Какая масса металла необходима для выделения 1 г меди?

17. Приведите схему хлорного электрода. Напишите уравнение электродной реакции и рассчитайте величину электродного потенциала при сCl - = 10-3 моль/дм3 при р = 100 кПа, Т = 298 К.

18. В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней цепи гальванического элемента, который состоит из магниевого и свинцового электродов, погруженных в растворы солей этих металлов с концентрацией этих солей, равных 0,1 моль/дм3? Составьте схему гальванического элемента и рассчитайте его э. д.с.

19. Какие из указанных металлов: алюминий, ртуть, кобальт будут вытеснять водород из соляной кислоты с концентрацией вещества, равной 1 моль/дм3? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций, протекание которых возможно. Какая масса металла необходима для получения 11,2 дм3 водорода (н. у.)?

20. Какие электроды называются окислительно-восстановительными? Приведите пример, напишите схему и уравнение его электродной реакции. Рассчитайте величину равновесного электродного потенциала этого электрода, если концентрации электролитов равны 0,1 моль/дм3.

21. Гальванический элемент составлен из стандартного цинкового электрода и хромового электрода, погруженного в раствор, содержащий ионы Cr3+. При какой концентрации ионов Cr3+ э. д.с. этого элемента будет равна нулю? Составьте схему гальванического элемента, напишите уравнения электродных процессов.

22. Какие из указанных металлов: алюминий, ртуть, кобальт будут вытеснять кадмий из раствора нитрата кадмия? Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций, протекание которых возможно. Какая масса металла необходимо для получения 1 г кадмия?