12

Лабораторная работа № 3 Тема. Электрохимические процессы.

Теоретическая часть.

Окислительно – восстановительные реакции - это реакции, протекающие с изменением степеней элементов.

Степень окисления элемента (СО)- это условный заряд элемента, согласно его электроотрицательности.

Окисление (о-е) – процесс повышения степени окисления элемента.

Восстановитель (в-е) - процесс понижения степени окисления элемента.

Окислитель (о-ль) – элемент, который понижает свою степень окисления (принимает электроны).

Восстановитель (в-ль) - элемент, который повышает свою степень окисления (отдаёт электроны).

Алгоритм уравнивания окислительно-восстановительных реакций

Схема окислительно-восстановительных реакций.

MnCO₃ + KClO₃ MnO₂ + KCl + CO₂

1. Проставить степени окисления (СО) у всех элементов участвующих в реакции.

2. Определить пары элементов, изменяющих СО.

Mn⁺²CO₃ + KCl⁺⁵O₃ Mn⁺⁴O₂ + KCl^-1 + CO₂

3. Записать полуреакции окисления и восстановления:

а) уравнять число элементов в правой и левой частях полуреакций

б) определить и записать процесс (о-е или в-е) и восстановитель или окислитель;

в) привести полуреакцию к электронному балансу.

То же проделать со второй полуреакцией (а-г)

Mn⁺² -2e Mn⁴⁺, о-е

в-ль

Cl⁺⁵ + 6e Cl^-1, в-е

о-ль

4. Найти наименьшее общее краткое числа электронов (n) и соответствующие коэффициенты для каждой полуреакции.

n

Mn⁺² -2e Mn⁴⁺, о-е 3

в-ль

6

Cl⁺⁵ + 6e Cl^-1, в-е 1

о-ль

5. Сложить правые и левые части полуреакций, умножая на коэффициенты.

6. В полученном уравнении привести подобные члены. Получить сокращенное полное уравнение ОВР.

n

Mn⁺² -2e Mn⁴⁺, о-е 3

в-ль

6

Cl⁺⁵ + 6e Cl^-1, в-е 1

о-ль

3Mn⁺² + Cl⁺⁵ 3Mn⁴⁺ + Cl^-1.

7. Из этого уравнения перенести коэффициенты в уравнение в молекулярной форме

3MnCO₃ + KClO₃ 3MnO₂ + KCl + 3CO₂

8. Проверить уравнение по кислороду О.

Теория гальванических элементов Гальванические элементы. Электродный потенциал металла

Согласно гидратационной теории гальванических элементов, при погружении металла в воду ионы его поверхностного слоя под действием полярных молекул воды отрываются, и в гидратированном состоянии переходят в раствор. В самом металле появляется избыток электронов, придающих ему отрицательный заряд.

В результате формирования двойного электрического слоя между металлом и окружающей его водной средой создается некоторая разность потенциалов, которую принято называть электродным потенциалом металла (φ⁰). По мере перехода ионов металла в водную среду увеличивается отрицательный заряд металла и положительный заряд раствора. Поэтому все чаще ионы металла притягиваются обратно на металлическую пластинку. Наступает равновесие:

Возьмем два сосуда. В один из них, содержащий раствор сульфата цинка, опустим цинковый электрод, а в другой, содержащий раствор сульфата меди - медный электрод. Растворы соединим с помощью трубки, заполненной раствором электролита (насыщенным раствором KCl).

Металл, электродный потенциал (φ) которого более положительный, будет катодом. Металл, электродный потенциал (φ ) которого более отрицательный – анодом. На катоде всегда протекает процесс восстановления, а на аноде – окисление.

электроды	Заряд во внешней цепи, φ	Процессы, протекающие на электродах
анод	Более отрицательный	окисление
а	о	о
катод	Более положительный	восстановление
к	п	в

Происходящие в гальваническом элементе процессы можно выразить электронными уравнениями:

Гальванический элемент с применением соединительной трубки

Гальванический элемент изображается электрохимической схемой:

Одна черта обозначает поверхность раздела между электродом и раствором, две черты – пористую перегородку или соединительную трубку между растворами. Цинковый электрод, с которого поступают электроны, считается отрицательным, а медный – положительным. Названия электродам даются в соответствии с протекающими на них процессами. Анодом называется электрод, на котором протекает окислительный процесс. Катодом - электрод, на котором протекает восстановительный процесс.

В медно-цинковом гальваническом элементе цинк является анодом, а медь – катодом. Такая схема означает, что цинковый электрод опущен в раствор его соли, а медный электрод – в раствор соли меди. Между растворами расположена пористая перегородка или соединительная трубка.

Причиной возникновения электрического тока в гальваническом элементе, т.е. причиной передвижения электронов по внешней цепи, является разность потенциалов взятых электродов.

Используя электродные потенциалы (φ), можно определить направление тока в гальваническом элементе и вычислить его электродвижущую силу (Е). При вычислении ЭДС гальванического элемента из потенциала катода вычитают потенциал анода.

Е⁰= φ⁰_о-ль - φ⁰_в-ль или Е⁰= φ⁰_катода- φ⁰_анода (в стандартных условиях);

Е= φ_о-ль - φ_в-ль или Е= φ_катода- φ_анода (в реальных условиях).

Потенциал металла φ вычисляется по уравнению Нернста:

φ _Меⁿ⁺_{/ Me} = φ⁰ _Меⁿ⁺_{/ Me}+ RT/nF*ln[Меⁿ⁺] ;

где R – универсальная газовая постоянная;

T – температура по абсолютной шкале;

F – число Фарадея;

n – валентность металла (зарядность иона)

Преобразовав данное уравнение для стандартных условий, получают:

φ _Меⁿ⁺_{/ Me} = φ⁰ _Меⁿ⁺_{/ Me} + 0,059/n*lg [Меⁿ⁺] .

Если Е>0, то электрохимический процесс вероятен, т.е. в гальваническом элементе будет протекать электрический ток, если Е<0, то процесс не вероятен, т.е. в цепи тока нет.