11. Электрохимические системы

Рекомендуемая литература:

Н.В. Коровин, Общая химия, гл.9, §§9.2-9.4, 9.8; Лекции по теме.

Н.Л. Глинка, Задачи и упражнения по общей химии, гл. VIII, §5, примеры 1,2,4, вопросы для самоконтроля №№ 666-671; §6, примеры 1-3, вопросы для самоконтроля №№ 678-685.

Вопросы для подготовки

Стандартные электродные потенциалы. Стандартный водородный электрод. Уравнение Нернста. Гальванические элементы. Катод и анод. Составление схемы гальванического элемента и уравнений электродных процессов. Расчет электродвижущей силы гальванического элемента. Концентрационные гальванические элементы. Окислительно-восстановительные потенциалы. Влияние различных факторов на направление протекания окислительно-восстановительных процессов.

Пример 1.

Приведи­те схему устройства и действия гальванического элемента, составленного из никелевого и железного электродов. Приведите уравнение токообразующей реакции. Рассчитайте ЭДС элемента.

Решение

Гальванические элементыили химические источники электрического тока – это устройства, в которых происходит превращение энергии химической окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию.

Всякий гальванический элемент состоит из двух электродов.Электрод, на котором в ходе реакции происходитпроцесс окисления, называетсяанодом. Электрод, на котором в ходе реакции происходитпроцесс восстановления, называетсякатодом.

В гальваническом элементе, образованном металлами разной активности, анодом будет более активный металл, стоящий в ряду напряжений левее. Анод при работе гальванического элемента окисляется (растворяется), катионы переходят в раствор, а электроны остаются на пластинке. На катоде (менее активном металле, стоящем в ряду напряжений правее) происходит восстановление катионов металла из раствора электролита.

В приведенном процессе участвуют две окислительно-восстановительные пары Fe2+/Fe0иNi2+/Ni0. В основе работы гальванического элемента лежит реакция Fe+NiSO4=FeSO4+Ni. В электрохимическом ряду напряжений железо расположено левее никеля, его стандартный электродный потенциал меньше: .

Следовательно, железо в гальваническом элементе будет анодом, а никель – катодом. Во внешней цепи электроны будут перемещаться от железа к никелю.

| ↓

Схема гальванического элемента: А(–)Fe|FeSO₄||NiSO₄|Ni(+)K

или в ионной форме: А(–) Fe| Fe²⁺ ||Ni²⁺ |Ni(+)K

Уравнения электродных процессов: А(– )Fe⁰– 2=Fe²⁺ – процесс окисления,

К(+) Ni²⁺+2=Ni⁰ – процесс восстановления.

Электродвижущая силагальванического элемента (ЭДС илиЕ) определяется разностью потенциалов катода и анода

Стандартная ЭДСгальванического элемента:

Е⁰= Е⁰_катода – Е⁰_анода== –0,25 – (–0,44) = –0,25 + 0,44 = 0,19 В

ЭДС в общем случае при температуре 25⁰С:

Е = +lg [Ni²⁺] – (+lg [Fe²⁺])

или Е =–+lg.

Контрольные задания

Задание 11.

Приведи­те схему устройства и действия гальванического элемента (Г.Э.). Приведите уравнения электродных процессов и уравнение токообразующей реакции. Рассчитайте ЭДС элемента.

№	Условие задания	Рассчитайте ЭДС элемента.
1	На одном из электродов протекает про­цесс Ni - 2е– → Ni+2	Концентрация растворов солей равна 1 моль/л.
2	Г.Э. составлен из серебряной и кадмиевой пластин	Концентрация растворов солей равна 1 моль/л.
3	Г.Э. составлен из медной и магниевой пластин	Концентрация растворов солей равна 0,01 моль/л.
4	Г.Э. составлен из цинкового и медного электродов	Концентрация растворов солей равна 0,1 моль/л.
5	На одном из электродов протекает про­цесс Fе – 2e– →Fе+2	Концентрация растворов солей равна 1 моль/л.
6	Г.Э. составлен из медной и магниевой пластин	Концентрация растворов солей равна 1 моль/л.
7	В качестве катода был использован медный электрод, погруженный в раствор CuSO4.	Концентрация растворов солей равна 1 моль/л.
8	На одном из электродов протекает про­цесс Нg2+ + 2e– → Нg.	Концентрация растворов солей равна 1 моль/л.
9	Г.Э. составлен из оловянной и железной пластин	Концентрация растворов солей равна 0,1 моль/л.
10	В Г.Э. протекает реакция: Sn + Рb(СН3СОО)2 → Sn(СН3СОО)2 + Рb	Концентрация растворов солей равна 1 моль/л.
11	В Г.Э. цинковый электрод выполняет функцию катода.	Концен­трации ионов цинка в растворе равна 0,1 моль/л.
12	На одном из электродов протекает про­цесс Sn+2 + 2е– →Sn0	Концентрация растворов солей равна 1 моль/л.
13	На одном из электродов протекает про­цесс Аg+ + e– → Аg.	Концентрация растворов солей равна 1 моль/л.
14	Г.Э. составлен из железной и серебреной пластин.	Концентрация растворов солей равна 0,1 моль/л
15	Г.Э. составлен из оловянного и серебряного электрода.	Концентрация ионов олова равна 1 моль/л, а ионов серебра – 10-3 моль/л.