4.8. Электрохимические процессы

Пример 1. Магниевую пластинку опустили в раствор соли. При этом электродный потенциал магния оказался равен –2,41 В. Вычислите концентрацию ионов магния в моль/л.

Решение: подобные задачи решаются на основе уравнения Нернста.

−2,41 = −2,37 + 0,058/2 IgC;

−0,04 = 0,029 IgC;

IgC = −0,04/0,029 = −1,3793;

С_Mg = 4,17 ^. 10^-2 моль/л.

Пример 2. Cоставьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной концентрацией 1г-ион/л. Какой металл является анодом, какой катодом? Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его э.д.с.

Решение: схема данного гальванического элемента

( −) Mg Mg²⁺ Zn²⁺ Zn(+);

вертикальная черта обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две черты – границу раздела двух жидких фаз – пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (−2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Mg – 2e = Mg²⁺ (1)

Цинк, потенциал которого –0,763 В, − катод, т.е. электрод на котором протекает восстановительный процесс:

Zn²⁺ + 2e = Zn (2)

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, которая лежит в основе данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:

Mg + Zn²⁺ = Mg²⁺ + Zn

Для определения электродвижущей силы – ЭДС. гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода. Так как концентрация ионов в растворе = 1г-ион/л, то ЭДС. элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:

ЭДС = E⁰_{Zn / Zn} – E⁰_{Mg / Mg} = −0,763 – (−2,37) = 1,607 В

4.9. Строение атома. Электронные формулы элементов. Химическая связь

Пример 1. Составьте электронные формулы атомов элементов с порядковыми номерами 16 и 22. Покажите распределение электронов этих атомов по квантовым (энергетическим) ячейкам.

Решение: электронные формулы отображают распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням (атомным орбиталям). Электронная конфигурация обозначается группами символов n ^x, где n – главное квантовое число, – орбитальное квантовое число (вместо него указывают соответствующее буквенное обозначение – s, p, d, f), x – число электронов в данном подуровне (орбитали). При этом следует учитывать, что электрон занимает тот энергетический подуровень, на котором он обладает наименьшей энергией – меньшая сумма n + 1 (правило Клечковского). Последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней следующая:

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s (5d¹) 4f 5d 6p 7s (6d^1-2) 5f 6d 7p

Так как число электронов в атоме того или иного элемента равно его порядковому номеру в таблице Д. И. Менделеева, то для элементов №16 (сера) и №22 (титан) электронные формулы имеют вид:

16^S 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶

22^Ti 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴3d²4s²

Электронная структура атома может быть также изображена в виде схем размещения электронов в квантовых (энергетических) ячейках, которые являются схематическим изображением атомных орбиталей (АО). Квантовую ячейку обозначают в виде прямоугольника , кружка  или линейки , а электроны в этих ячейках обозначают стрелками. В данном пособии применяют прямоугольники. Орбитали данного подуровня заполняются сначала по 1 электрону с одинаковыми спинами, а затем по 2 электрону с противоположными спинами (правило Хунда):

s

S ¹⁶ n=1 p

n=2 d

n=3

s

n=1 p

d

Ti²² n=2

n=3 f

n=4

Пример 2. Написать электронные формулы атомов хрома, меди и германия. К какому семейству элементов они относятся?

Решение: у элементов IV периода хрома (Z = 24) и меди (Z = 29), атомы которых имеют 4 электронных слоя, происходит, начиная от Sc, заполнение подуровня 3d и поэтому следовало бы ожидать, что их формулы будут иметь вид:

Cr: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴4s²

Cu: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁹4s²

Однако в действительности расположение электронов на внешних уровнях атомов этих элементов выражается соответственно формулами 3d⁵4s и 3d¹⁰4s, что объясняется провалом одного из электронов подуровня 4s и 4d на подуровень 3d. Атом германия (Z=32) содержит сверх электронной структуры аргона (Z=18) 14 электронов, заполнение которыми происходит в такой последовательности:

4s(2e) 3d(10e) 4p(2e)

Электронная формула германия имеет вид:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p²

Хром и медь относятся к семейству d-элементов, а германий к семейству р-элементов.

В электронно-графических формулах атомов два электрона, занимающих одну орбиталь, т.е. электроны с одинаковыми значениями n,1, и m и различным спином m_S, условно принято изображать в виде двух противоположно направленных стрелок:

Пример 3. В какой из данных молекул полярность связи выше:

1) HCl; 2) HI; 3) HBr; 4) HF?

Решение: рассмотрим водородные соединения галогенов:

H - Cl, H - I, H - Br, H - F

Среди галогенов наиболее электроотрицательным элементом является фтор. Поэтому его атом сильнее оттягивает на себя общую электронную пару, смещая в свою сторону область повышенной электронной плотности. Поэтому полярность связи в молекуле HF выше.