
- •Т. В. Скрипко общая и неорганическая химия Практикум
- •1. Основные классы неорганических соединений
- •Примеры составления условий задач и их решения
- •2. Газовые законы. Простейшие стехиометрические законы
- •2.1. Взаимозависимые параметры состояния газов
- •Примеры составления условий задач и их решения
- •2.2. Химические эквиваленты
- •Примеры составления условия задач и их решения
- •3. Основные закономерности протекания химических реакций
- •3.1. Энергетика химических реакций. Химико-термодинамические расчеты
- •Примеры составления условий задач и их решения
- •3.2. Скорость химических реакций и химическое равновесие
- •Примеры составления условий задачи и их решение
- •4. Окислительно – восстановительные процессы
- •4.1. Окислительно-восстановительные реакции
- •Ионно-электронный метод
- •Примеры составления условий задач и их решения
- •4.2. Гальванические элементы
- •Примеры составления условий задач и их решения
- •4.3. Электролиз
- •Примеры составления условий задач и их решения
- •5. Растворы
- •5.1 Способы выражения содержания растворенного вещества в растворе
- •Примеры составления условий задач и их решения
- •5.2. Физико-химические свойства разбавленных растворов неэлектролитов
- •Свойства растворов неэлектролитов
- •Примеры составления условий задач и их решения
- •5.3. Растворы электролитов
- •5.4. Ионное произведение воды. Водородный показатель
- •Примеры составления задач и их решения
- •5.5. Молекулярно-ионные уравнения обменных реакций между растворами электролитов
- •Примеры составления задач и их решения
- •5.6. Произведение растворимости
- •Примеры составления задач и их решения
- •5.7. Гидролиз солей
- •Примеры составления задач и их решения
- •6. Строение атома
- •Примеры составления условий задач и их решения
- •7. Комплексные соединения
- •Примеры составления задач и их решение
- •Библиографический список
4.2. Гальванические элементы
Гальваническими элементами называются устройства, с помощью которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов может быть преобразована в электрическую. В основе работы гальванических элементов лежат явления, происходящие на границе между металлом и раствором электролита и сопровождающиеся возникновением на ней разности или скачка потенциалов.
Разности или скачки потенциалов на границе металл-раствор зависят от активности катионов металла в растворе или, другими словами, каждой данной активности катионов металла в растворе соответствует определенное значение равновесного скачка потенциалов. Они называются электродными потенциалами, а их значения определяются относительно стандартного водородного электрода, принятого в качестве эталона, потенциал которого, называемый стандартным или нормальным, условно принимается равным нулю.
Всякий гальванический элемент состоит из двух электродов – металлов, погруженных в растворы электролитов; последние сообщаются друг с другом – обычно через пористую перегородку. Электрод, на котором в ходе реакции происходит процесс окисления, называется анодом; электрод, на котором осуществляется восстановление, – катодом.
При схематическом изображении гальванического элемента граница раздела между металлом и раствором обозначается вертикальной чертой, граница между растворами электролитов – двойной вертикальной чертой: Zn|Zn(NO3)2 ||AgNO3|Ag.
Максимальное напряжение гальванического элемента, отвечающее обратимому протеканию происходящей в нем реакции, называется электродвижущей силой Е (э.д.с.) элемента.
Если реакция осуществляется в стандартных условиях, т.е., если все вещества, участвующие в реакции, находятся в своих стандартных состояниях, то наблюдаемая при этом э.д.с. называется стандартной электродвижущей силой Ео данного элемента.
Э.д.с. гальванического элемента может быть представлена как разность двух электродных потенциалов φ, каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на одном из электродов:
Е = φAg – φZn .
Здесь φAg и φZn – потенциалы, отвечающие электродным процессам, происходящим соответственно на серебряном и цинковом электродах.
Примеры составления условий задач и их решения
Задача 399
Составить
схему, написать уравнения электродных
процессов и рассчитать э.д.с. элемента,
состоящего из цинковой и никелевой
пластин, опущенных в растворы сернокислых
солей с концентрацией
=
0,01 моль/л.
Решение:
В ряду напряжений Zn стоит левее Ni , поэтому в гальваническом элементе отрицательным (анодом) будет цинковый электрод, а положительным (катодом) - никелевый.
Схема гальванического элемента
(-) ZnZnSO4NiSO4Ni (+).
При работе элемента протекают реакции:
на аноде Zn Zn2+ + 2e,
на катоде Ni2+ + 2e Ni.
Электродные потенциалы необходимо вычислить по уравнению Нернста:
.
.
.
Отсюда Е = -0,309 - (-0,819) = 0,51 В.
С учетом того, что число электронов, переносимых во время электрохимической реакции металлами, одинаково и концентрации растворов равны, уравнение упрощается и принимает вид
;
;
.
Гальванический элемент может быть составлен не только из различных, но и из одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, различающиеся только концентрацией (концентрационные гальванические элементы). Э.д.с. такого элемента также равна разности потенциалов составляющих его электродов.
Электрод, погруженный в более концентрированный раствор, положителен по отношению к другому, который погружен в более разбавленный раствор.
Задача 406
Вычислить электродвижущую силу концентрационного элемента:
CuCuCrO4 (C1=0,01 моль/л) CuCrO4 (C2=0,1 моль/л)Cu.
Решение:
Рассчитаем э.д.с. по уравнению
.
Элемент будет действовать до тех пор, пока не выравнится концентрация ионов у обоих электродов.
Задача 423
Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция:
Cd + CuSO4 (C=1 моль/л) CdSO4 (C=1 моль/л) + Cu.
Вычислить э.д.с. элемента и энергию Гиббса G.
Решение:
По ряду напряжения находим:
;
.
Реакция окисления должна протекать на аноде, а реакция восстановления – на катоде, значит, элемент запишем в виде
(-) CdCdSO4CuSO4Cu (+).
.
Изменение энергии Гиббса вычислим по уравнению G = nFE0, где n -число электронов, принимающих участие в электрохимической реакции,
F – число Фарадея (96 500 Кл или 96 500 Дж/Вмоль).
G = -2965000,74 = -142,820 кДж/моль.
Таким образом, для любого электрохимического элемента, работающего самопроизвольно, Е должна быть положительной, а G , соответственно, отрицательной.
Задача 449
Исходя из величин стандартных электродных потенциалов рассчитать константу равновесия реакции, протекающей в гальваническом элементе:
Cu + 2AgNO3 Cu(NO3)2 + 2Ag.
Решение:
По
ряду напряжений находим,
,а
.
Отсюда следует, что медный электрод
будет отрицательным, т.е. анодом:
(-) CuCu2+ Ag+Ag (+).
Между константой равновесия реакции, протекающей в гальваническом элементе, и э.д.с. элемента существует зависимость
,
откуда
.
Вычислим константу равновесия реакции:
K
= 3,8∙1015.
Сопоставляя электродные потенциалы, можно заранее определить направление, в котором будет протекать окислительно-восстановительная реакция. Поскольку
,
то окислителем будет служить ион серебра, а восстановителем – медь: рассматриваемая реакция будет протекать слева направо. По величине константы равновесия (К=3,8 1015) судим о сдвиге равновесия реакции в сторону продуктов реакции. Число 1015 означает, что равновесие в данной системе наступит тогда, когда произведение концентрации ионов исходных продуктов будет в 1015 раз меньше произведения концентраций ионов конечных продуктов.
Задача 420
Определить э.д.с. элемента, у которого электродами являются две платиновые пластинки, опущенные в растворы SnCl2 и FeCl3. Составить схему гальванического элемента.
Решение:
В этом элементе по проводнику, соединяющему электроды, будет идти электрический ток в результате окислительно-восстановительной реакции:
SnCl2 + 2FeCl3 SnCl4 + 2FeCl2.
В подобных гальванических элементах электроды (Рt) не участвуют во взаимодействии, а являются лишь переносчиками электронов. Схему элемента для приведенной выше реакции можно представить следующим образом:
(-) Pt, Sn2+ Sn4+ Fe3+ Fe2+ , Pt(+).
На аноде Sn2+ -2e Sn4+ 01= + 0,15В.
На катоде Fe3+ +e Fe2+ 02= + 0,771 В.
Sn2+ + 2Fe3+ Sn4+ + 2Fe2+.
Исходные и полученные в результате реакции ионы олова образуют окислительно-восстановительную пару Sn2+/Sn4+, которая является одним из полуэлементов. Вторым полуэлементом является окислительно-восстановительная пара Fe3+/Fe2+.
Разность потенциалов на границе между инертным электродом и раствором, содержащим окисленную и восстановленную формы вещества, называют окислительно-восстановительным потенциалом:
.
При выполнений заданий рекомендуется использовать методические указания [5].
Стандартные значения электродных потенциалов найти в табл. 4 приложения.
В задачах 392–420 определить электродвижущую силу элементов, написать уравнения реакций, за счет которых возникает разность потенциалов. Составить схемы элементов
№ задачи |
1-й полуэлемент |
2-й полуэлемент |
392 |
Mg; MgSO4 (C1=0,1 моль/л) |
Fe; FeSO4 (C2=0,01 моль/л) |
393 |
Cd; CdSO4 (C1=0,01 моль/л) |
Cd; CdSO4 (C2=0,1 моль/л) |
394 |
Pt, H2; H2SO4 (C1=1 моль/л) |
Ag; AgNO3 (C2=0,1 моль/л) |
395 |
Al; AlCl3 (C1=0,1 моль/л) |
Pt, H2; HCl (C2=1 моль/л) |
396 |
Pb; Pb(NO3)2 (C1=0,01 моль/л) |
Cu; Cu(NO3)2 (C2=1 моль/л) |
397 |
Fe; Fe(NO3)2 (C1=1 моль/л) |
Pb; Pb(NO3)2 (C2=1 моль/л) |
398 |
Ag; AgNO3 (C1=0,1 моль/л) |
Ag; AgNO3 (C2=1 моль/л) |
399 |
Zn; ZnSO4 (C1=0,01 моль/л) |
Ni; NiSO4 (C2=0,01 моль/л) |
400 |
Ni; NiSO4 (C1=0,001 моль/л) |
Cu; CuSO4 (C2=0,01 моль/л) |
401 |
Cd; CdCl2 (C1=1 моль/л) |
Sn; SnCl2 (C2=0,01 моль/л) |
402 |
Zn; ZnSO4 (C1=1 моль/л) |
Pt, H2; H2SO4 (C2=1 моль/л) |
403 |
Fe; FeCl2 (C1=0,1 моль/л) |
Ag; AgCl (C2=0,01 моль/л) |
404 |
Fe; FeCl2 (C1=1 моль/л) |
Sn; SnCl2 (C2=1 моль/л) |
405 |
Mg; Mg(NO3)2 (C1=0,01 моль/л) |
Pb; Pb(NO3)2 (C2=0,01 моль/л) |
406 |
Cu; CuCrO4 (C1=0,01 моль/л) |
Cu; CuCrO4 (C2=0,1 моль/л) |
407 |
Cd; CdCl2 (C1=0,1 моль/л) |
Pb; PbCl2 (C2=0,1 моль/л) |
408 |
Cu; CuCl2 (C1=0,1 моль/л) |
Pt, Cl2; 2Cl– (C2=1 моль/л) |
409 |
Cr; CrSO4 (C1=0,001 моль/л) |
Ni; NiSO4 (C2=0,01 моль/л) |
410 |
Pt, H2; H2SO4 (C1=0,1 моль/л) |
Ag; AgI (C2=0,01 моль/л) |
411 |
Zn; ZnCl2 (C1=1 моль/л) |
Cr; CrCl3 (C2=0,1 моль/л) |
412 |
Pt, H2; H2SO4 (C1=0,1 моль/л) |
Pb; PbSO4 (C2=1 моль/л) |
413 |
Fe; FeBr2 (C1=0,1 моль/л) |
Cu; CuBr2 (C2=0,1 моль/л) |
414 |
Zn; ZnSO4 (C1=0,1 моль/л) |
Cu; CuSO4 (C2=0,001 моль/л) |
415 |
Pt, H2; HCl (C1=1 моль/л) |
Fe; FeCl2 (C2=0,1 моль/л) |
416 |
Sn; SnSO4 (C1=1 моль/л) |
Pt, H2; H2SO4 (C2=1 моль/л) |
417 |
Fe; FeCl2 (C1=0,1 моль/л) |
Ag; AgCl (C2=0,01 моль/л) |
418 |
Cd; CdI2 (C1=1 моль/л) |
Ag; AgI (C2=1 моль/л) |
419 |
Cd; Cd(NO3)2 (C1=0,1 моль/л) |
Cu; Cu(NO3)2 (C2=0,1 моль/л) |
420 |
Pt, Sn2+ ; Sn4+ (C1=1 моль/л) |
Fe3+ ; Fe2+ (C2=1 моль/л) |
В задачах 421–445 составить схемы гальванических элементов, в которых протекают приведенные ниже токообразующие реакции. Вычислить э.д.с. элементов. Чему равно G?
№ задачи |
Токообразующая реакция |
421 |
H2 + Cu2+ (C=0,1 моль/л) 2H+ (C=1моль/л) + Cu |
422 |
2Al + 3Fe2+ (C=1моль/л) 2Al3+(C=0,01моль/л) + 3Fe |
423 |
Cd + CuSO4 (C=1моль/л) CdSO4 (C=1моль/л) + Cu |
424 |
Zn + 2H+ (C=1моль/л) Zn2+ (C=0,1 моль/л) + H2 |
425 |
Mg + H2SO4 (C=1моль/л) MgSO4 (C=1моль/л) + H2 |
426 |
Cu + 2AgNO3 (C=0,1 моль/л) Cu(NO3)2 (C=0,1 моль/л) + 2 Ag |
427 |
Mg + Fe2+ (C=1моль/л) Mg2+(C=0,01моль/л) + Fe |
428 |
Fe + Cu2+(C=0,01моль/л) Fe2+ (C=1моль/л) + Cu |
429 |
Ni + CuSO4 (C=1моль/л) NiSO4 (C=1моль/л) + Cu |
430 |
Cd + SnCl2 (C=0,1 моль/л) CdCl2 (C=0,01моль/л) + Sn |
431 |
Zn + Cu2+ (C=1моль/л) Zn2+ (C=1моль/л) + Cu |
432 |
Cu + Cl2 (C=1моль/л) Cu2+ (C=1моль/л) + 2Cl- |
433 |
Hg2+ (C=0,1 моль/л) + 2Ag Hg + 2Ag+(C=110-4моль/л) |
434 |
3Zn + 2 Cr3+(C=110-3моль/л) 3Zn2+(C=110-4моль/л) + 2Cr |
435 |
Sr + H2SO4 (C=1моль/л) SrSO4 (C=1моль/л) + H2 |
436 |
Be + Cо2+ (C=0,1 моль/л) Be2+ (C=0,01моль/л) + Cо |
437 |
2Fe(NO3)2 + Hg2(NO3)2 (C=1моль/л) 2Fe(NO3)3(C=1моль/л)+2Hg |
438 |
Cu + 2AgCl(C=0,01моль/л) CuCl2 (C=0,001моль/л) + 2Ag |
439 |
H2 + 2Ag+ (C=1моль/л) 2H+ (C=0,1 моль/л) + 2Ag |
440 |
Cd + PbCl2 (C=0,01моль/л) CdCl2(C=0,01моль/л) + Pb |
441 |
Pb + 2AgNO3 (C=0,1 моль/л) Pb(NO3)2 (C=0,01моль/л) + 2Ag |
442 |
Zn +Hg2Cl2 (C=1моль/л) ZnCl2 (C=1моль/л) + 2Hg |
443 |
Cd + 2AgCl (C=0,1 моль/л) CdCl2 (C=0,01моль/л) + 2Ag |
444 |
Sc + Bi3+ (C=0,1 моль/л) Sc3+ (C=0,1 моль/л) + Bi |
445 |
Sn + CuCl2 (C=1моль/л) SnCl2 (C=1моль/л) + Cu |
В задачах 446–471 вычислить константы равновесия окислительно-восстановительных реакций, протекающих в гальванических элементах
№ задачи |
Уравнение реакции |
446 |
SnCl2 + 2FeCl3 SnCl4 + 2FeCl2 |
447 |
Zn + CdSO4 ZnSO4 + Cu |
448 |
Pb + Cu(NO3)2 Pb(NO3)2 + Cu |
449 |
Cu +2AgNO3 Cu(NO3)2 + 2Ag |
450 |
Mg + H2SO4 MgSO4 + H2 |
451 |
Zn + CuSO4 ZnSO4 + Cu |
452 |
Al + CrCl3 AlCl3 + Cr |
453 |
5FeCl2 + KMnO4 + 8HCl MnCl2 + KCl + 5FeCl3 + 4H2O |
454 |
H3PO3 + 2AgNO3 + H2O H3PO4 + 2Ag + 2HNO3 |
455 |
2KBr + PbO2 + 4HNO3 Pb(NO3)2 + Br2 + 2KNO3 + 2H2O |
456 |
Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu |
457 |
Pb + Hg2Cl2 PbCl2 + 2Hg |
458 |
Cd + CuSO4 CdSO4 + Cu |
459 |
4FeCl2 + O2 + 4HCl 4FeCl3 + 2H2O |
460 |
Mn + NiCl2 MnCl2 + Ni |
461 |
2Al + 3 Pb(NO3)2 2Al(NO3)3 + 3Pb |
462 |
Sn + HgSO4 SnSO4 + Hg |
463 |
FeBr2 + CoBr3 FeBr3 + Co |
464 |
Zn + Pb(NO3)2 Zn(NO3)2 + Pb |
465 |
2FeSO4 +Cl2 + Na2SO4 2NaCl + Fe2(SO4)3 |
466 |
Zn + Hg2Cl2 ZnCl2 + 2Hg |
467 |
Cu + 2AgCl CuCl2 + 2Ag |
468 |
Cd + SnCl2 CdCl2 + Sn |
469 |
Fe + Pb(NO3)2 Fe(NO3)2 + Pb |
470 |
Ni + CuSO4 NiSO4 + Cu |
471 |
Ca + H2SO4 CaSO4 + H2 |