VIII. S-элементы. Жесткость воды.

Пример 1. Сколько граммов CaSO₄ содержится в 1 м³ воды, если жесткость, обусловленная присутствием этой соли, равна 4 ммоль?

Решение. Молярная масса CaSO₄ 136,14 г/моль; эквивалентная масса равна 136,14:2 = 68,07 г/моль. В 1 м³ воды жесткостью 4 ммоль содержится 4 · 1000 = 4000 ммоль, или 4000 · 68,07 = 272 280 мг = 272,280 г CaSO₄. Из формулы Ж = m / (m_эV),m = 468,071000 = 272 280 мг = 272,280 г CaSO₄).

Пример 2. Какую массу соды надо добавить к 500 л воды, чтобы устранить ее жесткость, равную 5 ммоль?

Решение. В 500 л воды содержится 500 · 5 = 2500 моль солей, обусловливающих жесткость воды. Для устранения жесткости следует прибавить 2500 · 53 = 132 500 мг = 132,5 г соды (53 г/моль — эквивалентная масса Na₂CO₃).

IX. Электродные потенциалы. Гальванические элементы.

Пример 1. Определите ЭДС концентрационного медного элемента с концентрациями ионов меди, равными 10^–1 моль/л у одного электрода и 10^–3 моль/л у другого при 298 К.

Решение. Схема такого гальванического элемента CuCu²⁺||Cu²⁺Cu. По уравнению Нернста рассчитываем потенциалы двух медных электродов.

Для первого электрода:

_Сu²⁺/_Cu = ⁰_Сu²⁺/_Cu + lg10^-1 = 0,337 + 0,0295(–1) = 0,3075 В

Для второго электрода:

_Сu²⁺/_Cu = ⁰_Сu²⁺/_Cu + lg10^-3 = 0,337 + 0,0295(–3) = 0,2485 В

Первый электрод с большим значением потенциала в данном элементе является катодом, второй – анодом. ЭДС рассчитываем по формуле:

E = _к – _а = 0,3075 – 0,2485 = 0,059 В.

Пример 2. Рассчитайте ЭДС элемента CdCd²⁺||Cu²⁺Cu при концентрации ионов Cu²⁺ и Cd²⁺, равных соответственно 0,1 и 0,01 моль/л.

Решение. Используя уравнения Нернста и данные табл. 2, рассчитываем электродные потенциалы кадмия и меди:

_Сu²⁺/_Cu = ⁰_Сu²⁺/_Cu + lg10^-1 = 0,337 + 0,0295(–1) = 0,3075 В

_Сd²⁺/_Cd = ⁰_Сd²⁺/_Cd + lg10^-2 = –0,403 + 0,0295(–2) = –0,462 В

Так как _Сd²⁺/_Cd < _Сu²⁺/_Cu , то токообразующей в этом гальваническом элементе является реакция Cd⁰ + Cu²⁺ = Cd²⁺ + Cu⁰. Рассчитываем ЭДС элемента

E = _Сu²⁺/_Cu – _Сd²⁺/_Cd = 0,3075 – (–0,462 ) = 0,77 В.

Пример 3. Как изменится масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: а) CuSO₄; б) MgSO₄; в) Pb(NO₃)₂? Почему? Составьте молекулярные и ионные уравнения соответствующих реакций.

Решение. В соответствии с положением ряду напряжений (табл. 2) ионы меди и свинца по отношению к цинку будут проявлять окислительную активность. При контакте с растворами CuSO₄ и Pb(NO₃)₂ будут протекать реакции растворения цинка и осаждения соответствующего металла:

а) CuSO₄ + Zn = Cu + ZnSO₄; Cu²⁺ + Zn = Cu + Zn²⁺

б) Pb(NO₃)₂ + Zn = Pb + Zn(NO₃)₂; Pb²⁺ + Zn = Pb + Zn²⁺

Один моль эквивалентов цинка (32,69 г/моль) будет замещаться на один моль эквивалентов меди (31,77 г/моль) или свинца (103,6 г/моль). Учитывая молярные массы эквивалентов этих элементов, в растворе CuSO₄ масса цинковой пластины будет незначительно уменьшаться, а в растворе Pb(NO₃)₂ – заметно увеличиваться.

Стандартный потенциал магния имеет меньшее значение, чем потенциал цинка (табл. 2). Это означает, что ионы магния не могут окислять цинковую пластинку. Поведение цинка в таком растворе аналогично окислению цинковой пластинки в воде: Zn – 2ē = Zn²⁺. Протекание такого процесса приведет к малозаметному снижению массы цинковой пластинки.

Пример 4. Исходя из значений стандартных электродных потенциалов и G⁰_х.р., укажите, можно ли в гальваническом элементе осуществить реакцию Pb²⁺ + Ti = Pb + Ti²⁺. Составьте схему гальванического элемента, напишите уравнения электродных реакций.

Решение. В соответствии с уравнением реакции схему гальванического элемента можно представить следующим образом: (–)TiTi²⁺||Pb²⁺Pb(+). Уравнения электродных реакций имеют вид:

на аноде: Ti⁰ – 2ē  Ti²⁺

на катоде: Pb²⁺+ 2ē  Pb⁰

Рассчитываем стандартное значение ЭДС:

E ⁰ = ⁰_к – ⁰_а = ⁰_Pb²⁺/_Pb – ⁰_Ti²⁺/_Ti = –0,126 – (–1,628) = 1,502 B.

Энергию Гиббса рассчитываем по уравнению G⁰ = – nE⁰F= – 2 1,502 96500 = –289,9 кДж. Так как G⁰ < 0, токообразующая реакция возможна.