808

движутся ионы SO4 2- ,тем самым создается ионное равновесие в растворе. Гальванический элемент работает, пока не растворится весь анод или пока электродные потенциалы анода и катода не примут одинаковые значения.

Рис.1.Схема медно-цинкового гальванического элемента

По значениям стандартных электродных потенциалов или алгебраической суммы окислительно-восстановительных потенциалов частных реакций определяется ЭДС элемента:

ЭДС = 0,34 - (- 0,76) = 1,1 В.

При изменении стандартных условий расчет ведется с использованием уравнения Нернста.

Гальванический элемент, в котором электродвижущая сила (ЭДС) возникает за счет различной концентрации растворов электролитов, в которые погружены одинаковые металлические электроды, называет-

ся концентрационным гальваническим элементом. Электрод, опу-

щенный в раствор соли с меньшей концентрацией, является анодом, а

Концентрационный гальванический элемент работает до тех пор, пока не сравняются концентрации растворов.

При работе элемента его ЭДС постепенно уменьшается вследствие смещения потенциалов электродов от равновесного состояния. Это явление получило название поляризации.

41

Лабораторная работа № 3

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Опыт 1. Изготовление медно-цинкового элемента.

Одну пробирку заполните доверху 1 М раствором сульфата цинка, другую – 1 М раствором сульфата меди. Пробирки соедините электролитным мостиком, заполненным насыщенным раствором хлорида калия в смеси с агар-агаром. Опустите в раствор сульфата цинка ZnSO4 цинковую пластинку, а в раствор сульфата меди CuSO4 – медную (пластинки предварительно очистите наждачной бумагой). Пластинки соедините электрическим проводом с гальванометром. Наблюдайте отклонение стрелки гальванометра, указывающее на возникновение электрического тока.

Составьте схему гальванического элемента. Напишите уравнения химических реакций, протекающих на электродах гальванического элемента, и суммарное уравнение химической реакции, в результате которой возникает электрический ток в данном элементе.

Используя числовые значения стандартных электродных потенциалов цинка и меди, вычислите ЭДС медно-цинкового гальванического элемента.

В каком направлении перемещаются электроны во внешней цепи? Какие ионы и в каком направлении перемещаются в растворе?

Опыт 2. Изготовление концентрационного гальванического элемента.

Заполните две пробирки растворами сульфата меди разной концентрации: первую – 2 M раствором CuSО4, вторую – 0,02 M раствором CuSO4. Соедините пробирки электролитным мостиком. Опустите в каждую пробирку медные пластинки и соедините их проводками с гальванометром.

Составьте схему концентрационного гальванического элемента. Напишите уравнения химических процессов, протекающих на электродах.

Используя значение стандартного потенциала медного электрода и уравнение Нернста, вычислите электродный потенциал катода и анода, а также ЭДС концентрационного гальванического элемента.

42

Вопросы для самоконтроля

1. Какие приборы называются гальваническими?

2.Что такое двойной электрический слой?

3.Что такое электродный потенциал? Его расчет по уравнению Нернста.

4.Электрохимический ряд стандартных электродных потенциалов. Его сущность и практическое значение.

5.Какие гальванические элементы называются концентрационными? Принцип работы.

6.Вычислите потенциал свинцового электрода в насыщенном растворе бромида свинца, если концентрация иона свинца составляет 10-5 г- ион/л.

7.Насколько изменится потенциал цинкового электрода, если раствор соли цинка, в который он погружен, разбавить в 10 раз?

8.В гальваническом элементе протекает реакция

Cd + CuSO4 → CdSО4 + Cu.

Составьте схему элемента, покажите окислительно-восстанови-тель- ный процесс и вычислите ЭДС по стандартным значениям потенциалов катода и анода.

9. Какие процессы происходят на электродах гальванического, эле-

мента

Zn│Zn2+(C1 ) | Zn2+ (C2) │Zn (C1< C2) ?

Рассчитайте ЭДС такого элемента, зная, что C2 = 100 С1.

10. Вычислите ЭДС элементов:

Sn │ Sn2+(0,1 М) || Ag+(1 М) │Ag. Cu │Cu2+(0,01 М) || Ag+ (2 М)│ Ag. Cd │Cd2+( 0, 003 М) || Cu2+ (0,1 М)│Cu.

Тест для подготовки к экзамену

1.Укажите вид энергии, которая вырабатывается при работе гальванических элементов.

1)химическая;

2)электрическая;

3)тепловая;

4)световая.

2.Электродвижущая сила гальванического элемента определяется по формуле

43

1)ЭДС = а - к ;

2)ЭДС = к - а ;

3)ЭДС = к + а ;

4)ЭДС = а + к .

3.Процесс, протекающий на аноде в гальваническом элементе, –

1)восстановление;

2)окисление;

3)окисление и восстановление.

4.Процесс, протекающий на катоде в гальваническом элементе, –

1)окисление;

2)восстановление;

3)окисление и восстановление.

5.Укажите цепь гальванического элемента, которая составлена верно.

1)Pb | Pb(NO3)2 || Mg(NO3)2 | Mg;

2)Mg | Mg(NO3)2 || Pb(NO3)2 | Pb;

3)Mg(NO3)2 Mg || Pb(NO3)2 | Pb;

4)Mg | Mg(NO3)2 || Pb | Pb(NO3)2 .

6.Стандартные электродные потенциалы меди и алюминия равны соответственно + 0,34 В; - 1,66 В. Какой металл является анодом, если цепь гальванического элемента образована медным и алюминиевым электродами?

1)медь;

2)алюминий;

3)оба металла.

7.Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?

1)ZnSO4 | Zn || Cu | CuSO4;

2)Zn | ZnSO4 || CuSO4| Cu;

3)Zn | ZnSO4 || Cu | CuSO4.

8.Какой вид энергии переходит в электрическую в гальваническом элементе?

1)световая;

2)механическая;

3)химическая;

44

4)тепловая.

9.Стандартные электродные потенциалы меди и никеля равны соответственно + 0,34 В, - 0,23 В. Какой металл является катодом, если цепь гальванического элемента образована медным и никелевым электродами?

1)никель;

2)медь;

3)никель и медь.

10.Стандартные электродные потенциалы меди, железа и магния равны соответственно + 0,34 В; - 0,44 В; - 2,37 В. Какой металл более активный?

1)медь;

2)железо;

3)магний;

4)железо и магний.

11.В какой вид энергии переходит химическая в гальваническом элементе?

1)тепловую;

2)световую;

3)электрическую;

4)механическую.

12.Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?

1)Cu | Cu(NO3)2 || AgNO3 | Ag;

2)Cu | Cu(NO3)2 || Ag | AgNO3;

3)Cu(NO3)2 | Cu|| Ag | AgNO3.

13.Стандартные электродные потенциалы свинца и марганца равны соответственно - 0,13 В; - 1,18 В. Какой металл является анодом, если цепь гальванического элемента составлена марганцевым и свинцовым электродами?

1)марганец;

2)свинец;

3)оба металла.

45

14. Стандартные электродные потенциалы серебра и никеля равны соответственно + 0,80 В; - 0,23 В. Какой металл является катодом, если цепь гальванического элемента составлена из серебряного и никелевого электродов?

1)никель;

2)серебро;

3)оба металла.

15. Стандартные электродные потенциалы никеля и цинка равны соответственно - 0,23 В; - 0,76 В. Какой металл является источником электронов, если цепь гальванического элемента составлена двумя электродами: никелевым и цинковым?

1)никель;

2)цинк;

3)оба металла.

16.Стандартные электродные потенциалы железа и алюминия равны соответственно - 0,44 В; - 1,66 В. Какой процесс протекает на алюминиевом электроде, если цепь гальванического элемента образована двумя электродами: алюминиевым и железным?

1)окисление;

2)восстановление;

3)окисление и восстановление.

17.Стандартные электродные потенциалы меди и цинка равны соответственно + 0,34 В; - 0,76 В. Гальваническая цепь составлена двумя электродами: цинковым и медным. Какой процесс протекает на медном электроде?

1)окисление;

2)восстановление;

3)оба процесса.

18.Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваниче-

ском элементе Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu ?

1)Cu0 + Cu+2 → Zn+2 + Zn0;

2)Cu0 + Zn+2 → Zn0 + Cu+2;

3)Zn0 + Cu+2 → Zn+2 +Cu0;

4)Cu0 + Zn0 → Cu+2 +Zn+2.

46

19.Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?

1)Pb | Pb(NO3)2 || Fe | Fe(NO3)2;

2)Fe | Fe(NO3)2 || Pb(NO3)2 | Pb;

3)Pb(NO3)2 | Pb || Fe | Fe(NO3)2.

20.Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваниче-

ском элементе Al | Al2(SO4)3 || FeSO4| Fe ?

1)2Al0 + 2Al+3 → 3Fe+2 + 3Fe0;

2)2Al0 + Fe0 → 2Al+3 + 3Fe+2;

3)2Al0 +3Fe+2 → 2Al+3 + 3Fe0.

21.Электродные потенциалы алюминия, цинка и золота равны соответственно - 1,70 В; - 0,76 В; + 1,50 В. Какой металл более активен?

1)золото;

2)алюминий;

3)цинк.

22.Электродные потенциалы магния, цинка и меди равны соответственно - 2,37 В; - 0,76 В; + 0,34 В. Какие металлы могут быть анодами в гальванических элементах?

1)Cu;

2)Zn;

3)Mg;

4)Mg и Zn.

23.Составлена схема гальванического элемента

Mg | MgSO4 || ZnSO4 | Zn. Какой процесс протекает на аноде?

1)Zn0 - 2e- Zn+2;

2)Mg0 - 2e- Mg+2;

3)Mg+2 +2e- Mg0;

4)Zn+2 +2e- Zn0.

24.Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваниче-

ском элементе Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu ?

1)Cu + ZnSO4 → CuSO4 + Zn;

2)Zn + Cu → ZnSO4 + CuSO4;

3)Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu.

25.Какой процесс протекает на катоде в данном гальваническом эле-

менте Ni | NiSO4 || CuSO4 | Cu ?

47

1)Cu0- 2e- Cu+2;

2)Cu+2+ 2e- Cu0;

3)Ni0- 2e- Ni+2;

4)Ni+2+ 2e- Ni0.

Ответы на тест:

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Электролизом называются окислительно-восстановительные реакции, протекающие на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор электролита или через его расплав.

Электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника тока, называется катодом. На катоде происходит процесс восстановления.

Электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, называется анодом. На аноде происходит процесс окисления.

Таким образом, в процессах электролиза электрическая энергия переходит в химическую энергию. На характер и течение электродных процессов при электролизе большое влияние оказывают: состав электролита, растворитель, материал электродов, режим электролиза (напряжение, плотность тока, температура и др.).

Электролиз может происходить не при любой разности потенциалов (напряжении), а при вполне определенной, называемой потенциалом разложения Еразл. Потенциал разложения – это наименьшее напряжение, при котором начинается электролиз данного соединения.

48

Следует различать электролиз расплавленных электролитов и их растворов (с участием воды).

Электролиз расплава электролитов

В процессе электролиза расплава солей участвуют только ионы этой соли.

Рассмотрим электролиз расплава хлорида натрия NaC1. В расплаве хлорид натрия диссоциирует на катионы натрия и анионы хлора: NaC1 ↔ Na+ + C1-. При пропускании постоянного тока ионы Na+

C1- - e- →1/2C120 . В результате расплав разлагается на металлический натрий и газообразный хлор.

Рассмотрим электролиз расплава гидроксида натрия NaOH. Гидроксид натрия в расплаве диссоциирует на ионы натрия и гидроксидионы: NaOH ↔ Na+ + OH-. В расплаве ионы Na+ идут к катоду, где выделяется металлический натрий. На аноде происходит окисление

анионов ОН- с образованием воды и кислорода. 4ОН- - 4е- → 2H2 O + O2↑.

При электролизе расплава сульфата натрия Na2SО4 в результате диссоциации образуются катионы натрия и анионы сульфат-ионы: Na2SО4 ↔ 2Na+ + SO42-. На катоде происходит восстановление ионов 2Na+ (как в первых двух случаях), а на аноде происходит окисление

ионов SO42- с образованием оксида серы (VI) SO3 и кислорода: 2SO42- - 4e- → 2SO3↑ + O2↑.

В расплавах при разряжении кислотных остатков кислородосодержащих кислотобразуютсякислороди устойчивыйоксидсоответствующегоэлемента.

Электролиз водного раствора электролита

При электролизе водного раствора электролита присутствуют несколько видов катионов и анионов. Например, в водных растворах солей кроме анионов и катионов электролита всегда имеются молекулы воды.

Так как на катоде идет реакция восстановления, т.е. прием электронов окислителем, то в первую очередь должны реагировать наиболее сильные окислители. Характер катодных реакций при электролизе водных растворов определяется положением катиона в ряду стан-

49

дартных электродных потенциалов. Чем более отрицателен электродный потенциал металла, тем более характерным является ионное состояние его соединений и тем труднее идет восстановление его ионов на катоде. И наоборот, чем положительнее электродный потенциал металла, тем легче идет восстановление его ионов на катоде.

Рассматривая катодное восстановление, нужно учитывать величину потенциала процесса восстановления ионов водорода.

В случае нейтральных растворов [Н+] = 10-7 (рН = 7) электродный потенциал ионов водорода равен - 0,41 В.

φ = φ° + 0,059 lg[H+] = φ° - 0,059 7 = - 0,41 В.

При электролизе водного раствора электролита возможны три вида реакций, протекающих на катоде:

1) электродный потенциал металла более положителен, чем

- 0,41 В, его ионы практически полностью восстанавливаются на катоде (например, ионы Cu2+, Ag+, Hg2+ и т.д.);

2)ионы металлов, потенциалы которых намного ниже - 0,41 В, на катоде не восстанавливаются. К ним относятся ионы щелочных, ще- лочно-земельных металлов, алюминия и других, стоящих в ряду стандартных электродных потенциалов левее алюминия. В этом случае на

катоде идет восстановление воды с выделением газообразного водо-

рода по уравнению 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-.

Накапливаются ионы OH-, среда становится щелочной. Потенциал восстановления водорода в щелочной среде равен - 0,83В.

φ= φ° + 0,059 lg[H+] = 0 - 0,059 14 = - 0,83 В;

3)ионы металлов, потенциалы которые относительно мало отличаются от потенциала - 0,83 В. На катоде одновременно восстанавливаются ионы металла и вода до образования водорода. К ним относятся ионы металлов, находящихся в ряду стандартных электродных потенциалов между алюминием и водородом.

Анодные процессы протекают на инертном и активном анодах. Инертным называется анод, материал которого не претерпевает окисления при электролизе. В качестве материалов для инертных анодов применяют графит, уголь, платину. Активным называется анод, материал которого может окисляться при электролизе.

На инертном аноде при электролизе кислородсодержащих кислот, их солей, а также фтороводородной кислоты и ее солей происходит

электрохимическое окисление воды с выделением кислорода. Уравнение имеет вид 2H2O - 4e- → O2 + 4H+.

50