Примеры решения задач

Пример 4.1. Цинковую пластину поместили в 0,001 М раствор хлорида цинка. Определите равновесный потенциал цинкового электрода при 298 К. Изменится ли потенциал электрода, если увеличить концентрацию хлорида цинка в растворе в 10 раз?

Решение.

Электродом называют систему, состоящую из электронного проводника (металл, графит и др.), находящегося в контакте с ионным проводником (раствор электролита)

При погружении металла в раствор электролита происходит сложное взаимодействие металла с компонентами раствора (электродная реакция), которое приводит к установлению равновесия и возникновению электродного потенциала.

Равновесным электродным потенциалом металла Е_Меⁿ⁺/ _Ме называют потенциал, возникающий на электроде в условиях равновесия электродной реакции: Ме ⇄ Меⁿ⁺ + nē

Для Zn в растворе ZnCl₂ протекает электродная реакция, в которой устанавливается равновесие: Zn ⇄ Zn²⁺ + 2ē.

Величина равновесного электродного потенциала металла зависит от природы металла, концентрации его ионов в растворе и температуры. Эта зависимость выражается уравнением Нернста.

Уравнение Нернста для металлического электрода при 298 К

Е_Меⁿ⁺/ _Ме = E⁰_Меⁿ⁺/ _Ме + lg[Mеⁿ⁺],

E⁰_Меⁿ⁺/ _Ме – стандартный электродный потенциал, В;

n – число электронов в электродной реакции;

[Mеⁿ⁺] – концентрация ионов металла, моль/л

Величины стандартных электродных потенциалов металлов измерены относительно стандартного водородного электрода, потенциал которого условно принят равным нулю = 0.

Стандартным электродным потенциалом металлического электрода E⁰_Меⁿ⁺/ _Ме называют потенциал этого электрода в растворе собственных ионов с концентрацией, равной 1 моль/л, измеренный при 298 К

Величина стандартного электродного потенциала цинкового электрода – справочная величина: E⁰_Zn²⁺/ _Zn = –0,763 В (прил. 2).

Рассчитаем равновесный потенциал цинкового электрода по уравнению Нернста, число электронов в электродной реакции n = 2:

Е_Zn²⁺/ _Zn = E⁰_Zn²⁺/ _Zn + lg[Zn²⁺].

Концентрация ионов Zn²⁺ в растворе равна молярной концентрации соли ZnCl₂, так как соль является сильным электролитом:

[Zn²⁺] = [ZnCl₂] = 0,001 = 10^–3 моль/л.

Е_Zn²⁺/ _Zn = –0,763 + lg10^–3 = –0,8515 В.

При увеличении концентрации ZnCl₂ в растворе в 10 раз во столько же раз увеличится концентрация ионов Zn²⁺ и станет равной 10^–2 моль/л. Равновесный потенциал цинкового электрода увеличится:

Е_Zn²⁺/ _Zn = –0,763 + lg10^–2 = –0,822 В.

Пример 4.2. Пластину из кадмия поместили в водные растворы электролитов: Bi(NO₃)₃, Al₂(SO₄)₃, HCl. Определите возможность взаимодействия кадмия с каждым из предложенных электролитов. Напишите молекулярные и электронные уравнения соответствующих реакций.

Решение. Восстановительную способность металла в водных растворах электролитов определяет величина его стандартного электродного потенциала (прил. 2). Чем меньше величина электродного потенциала металла, тем выше его химическая активность, т. е. восстановительная способность.