10. Химические источники электрической энергии

(задачи №№ 226 – 250).

Литература:

1. Глинка Н.Л. "Общая химия". - М.: Интеграл-Пресс. 2009г. 273 - 286 с.

2. Коробейникова Е.Г., Чуприян А.П., Аксенов А.Н. Вопросы и задачи по химии. СПб. 2001 г. 22 - 23с

3. Глинка Н.Л. "Задачи и упражнения по общей химии". - Учебное пособие. - М.: КНОРУС, 2011, 240с.

Для выполнения заданий можно воспользоваться таблицей электродных потенциалов (таблица 2 приложения).

При изучении темы обратите внимание на следующие основные вопросы.

Скачок потенциала на границе раздела фаз в электрохимической системе. Двойной электрический слой и его строение. Гальваническая цепь. ЭДС гальванического элемента. Электродные потенциалы. Ряд напряжений металлов. Уравнение Нернста.

Классификация гальванических элементов. Первичные, вторичные, концентрационные, топливные элементы. Химические источники электрической энергии. Аккумуляторы.

Электролиз. Особенности электрохимических реакций при электролизе. Пожарная опасность процессов электролиза.

Для выполнения заданий можно воспользоваться таблицей электродных потенциалов (таблица 2 приложения).

Пример 10.1. Вычислить значение потенциала медного электрода в

0.01 М растворе сернокислой меди (Cu SO₄) .

Решение:

При стандартных условиях электродные потенциалы имеют строго определенные значения, приведенные в таблице 2 приложения.

Для условий, отличных от стандартных, электродные потенциалы могут быть рассчитаны по уравнению Нернста

, где

E - электродный потенциал, B;

E_{0 -} стандартный электродный потенциал, B;

R - универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/мольК;

T - абсолютная температура, K;

F - число Фарадея, F = 9.648510⁴ Кл;

n - степень окисления ионов металлов.

Уравнение Нернста после подстановки в него значений R, F и T приобретает для 25⁰С (298 К) следующий вид:

.

1. По условию задачи медный электрод не является стандартным. Значение электродного потенциала находим по уравнению Нернста.

Е₀ (Cu/Cu²⁺) = 0,34 В,  Cu²⁺ = 0,01 = 10^-2 М, заряд ионов меди n = 2,

следовательно,

0,281 В.

Ответ: потенциал медного электрода 0,281 В.

Пример 10.2. Рассчитать значение потенциала водородного электрода при стандартном давлении и рН = 6.

Решение:

Потенциал стандартного водородного электрода условно принят равным 0. При концентрации ионов водорода, отличной от 1 М, потенциал необходимо рассчитать, используя уравнение Нернста.

При рН = 6 концентрация ионов водорода составит

[H⁺] = 10^-pH = 10^-6 моль/л.

Тогда потенциал водородного электрода составит

Ответ: потенциал водородного электрода – 0,354 В.

Пример 10.3. Рассчитать ЭДС гальванического элемента, состоящего из магниевого и свинцового электродов, погруженных в растворы их солей с концентрацией ионов магния 0,0001 М и ионов свинца 0,001 М. Составить схему гальванического элемента, записать полуреакции, протекающие на электродах.

Решение.

Значение электродных потенциалов находим по уравнению Нернста

.

Е₀ (Mg/Mg²⁺) = – 2,37 В, Mg²⁺ = 0,0001 = 10^-4 моль/л, заряд ионов магния

n = +2, следовательно:

– 2, 448 В.

Е₀( Pb/Pb²⁺) = + 0.99 В, Pb²⁺ = 0.001 = 10^-3 моль/л, заряд ионов свинца

n = +2, следовательно:

0,902 В.

Е (Mg/Mg²⁺)  Е ( Pb/Pb²⁺), следовательно, электрод магния является анодом.

Схема гальванического элемента:

Mg  Mg²⁺ (Mg²⁺ 10^-4) Pb Pb²⁺(Pb²⁺ 10^-3)

а н о д к а т о д

Реакция на аноде: Mg ⁰- 2 e^- = Mg²⁺

Реакция на катоде: Pb²⁺ + 2 e^- = Pb⁰

ЭДС гальванического элемента определяем по формуле:

ЭДС = E _Pb – E _Mg = 0,902 – ( – 2, 488) = 3,39 В

Ответ: ЭДС гальванического элемента 3,39 В.