173

Глава 18. Электрохимические процессы

Студент должен уметь:

1.Определение возможности самопроизвольного протекания реакций замещения;

2.Рассчитывать ЭДС при стандартных условиях;

3.Определять зависимость электродных потенциалов от концентрации.

электрического тока или вызываемые им, называются электрохимическими.

18.1 Стандартные электродные потенциалы. Ряд напряжений.

Гальванические элементы

Характерным химическим свойством металлов является их

восстановительная способность (отдавать электроны). Количественно эта

способность характеризуется стандартным электродным потенциалом.

Стандартным электродным потенциалом ( Men , В) называют

Me

электродный потенциал, измеренный относительно стандартного водородного электрода при стандартных условиях: концентрации ионов металла (или активности) равной 1 моль/л при 25оС (298 K).

Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов, получаем так называемый электрохимический ряд напряжений металлов, который характеризует химические свойства металлов:

1. Чем левее расположен металл в этом ряду (или чем меньше его 0 ), тем больше его восстановительная способность и меньше окислительная способность его ионов.

2. Металлы, стоящие в этом ряду левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот, например: H2SO4 + Fe = FeSO4 + H2↑

174

3.Каждый металл способен вытеснять (восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые стоят в электрохимическом ряду напряжений металлов после него (менее активные металлы), например: FeSO4 + Zn = ZnSO4 + Fe

4.Металлы, стоящие в ряду напряжений левее марганца, вытесняют водород из воды, например: 2Na +2H2O = 2NaOH + H2↑

Электродный потенциал металла зависит от природы металла концентрации (активности) его ионов в растворе, температуры. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

T – температура, равная 298 К;

n – число электронов, участвующих в ОВР;

F – число Фарадея, равное 96500 Кл;

C – концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Переходя от натуральных логарифмов к десятичным, подставив соответствующие значения R, F, T, получим более удобную форму уравнения

Нернста: Ме n+/ Ме = 0 Ме n+/ Ме + 0,059 lg C . n

Ячейку, в которой за счѐт протекания химической реакции возникает

электрический ток, называют гальванической. Электрохимические реакции являются окислительно-восстановительными, протекают на границе электрод – раствор электролита, на одном электроде – окисление, на другом – восстановление, при этом происходит превращение химической энергии в электрическую. Гальванические элементы состоят из электродов, находящихся

в растворе электролита. Электрод – твердая фаза, обладающая

176

полуэлементе, а вертикальная двойная линия как бы разделяет гальванический

элемент на полуэлементы (граница между растворами).

Анод (более активный металл) – электрод, на котором происходит

окисление. Анод отрицательный электрод.

Катод (менее активный металл) – электрод, на котором происходит

Таким образом, при замыкании внешней цепи происходит растворение цинка на цинковом электроде и выделение меди на медном электроде.

Максимальная разность потенциалов электродом, которая может быть

получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой Е (ЭДС) элемента.

ЭДС характеризует способность электронов к движению во внешней

цепи:

ЭДС 0окисл. 0восст.

восстановления.

В концентрационных цепях электроды и электролит – одинаковой химической природы.

ЭДС в гальваническом элементе возникает за счет разности концентрации электролитов в обоих полуэлементах.

Таким образом, поток электронов в концентрационном элементе всегда

направлен в сторону выравнивания концентраций.

В гальванических окислительно-восстановительных цепях химические

реакции окисления и восстановления протекают раздельно – в полуэлементах.

Электроды в окислительно-восстановительном процессе участия не принимают. Они служат приемником электронов на катоде и источником электронов на аноде. Изготавливают их из инертного материала, чаще из

0 Fe3+/Fe2+ = 0,77 В; 0 Sn4+/Sn2+ = 0,15 В

Потенциал, возникающий в полуэлементе окислительно-

восстановительной реакции, называют окислительно-восстановительным

потенциалом.

178

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

Определение возможности самопроизвольного протекания

реакций замещения Пример 1. Исходя из положения металлов в ряду напряжений, определить

возможность протекания следующих реакций:

а) Zn Pb2 Zn 2 Pb ;

б) Cu Ni2 Cu 2 Ni

Решение:

а) стандартные электродные потенциалы цинкового и свинцового электродов

соответственно равны:

179

Работа гальванического элемента и расчет ЭДС при стандартных

условиях

Пример 2. Гальванический элемент состоит из цинковой и серебряной пластин, опущенных в растворы своих солей с концентрацией катионов равной

1 моль/л.

Составьте схему гальванического элемента, напишите уравнения реакций,

происходящих при его работе, рассчитайте ЭДС.

Решение: Стандартные электродные потенциалы цинкового и серебряного электродов соответственно равны:

Металл, имеющий более отрицательное значение электродного потенциала при работе гальванического элемента, является анодом.

Схема гальванического элемента:

Ответ: ЭДС равна 1,56 В.

Определение ЭДС гальванических элементов с учетом концентрации

растворов

Пример 3. Рассчитайте, чему равна ЭДС элемента, составленного из медной и

магниевой пластин, опущенных в растворы своих солей, если концентрация катионов магния 0,1 моль/л, а катионов меди 0,001 моль/л.