Тема 8. Основы электрохимии. Окислительно-восстановительные реакции. План занятия

Окислительно-восстановительные реакции. Степень окисления. Процессы окисления и восстановления. Электрохимические процессы. Двойной электрический слой. Электродный потенциал. Гальванический элемент. Анодные и катодные процессы. Электродвижущая сила гальванического элемента. Стандартный водородный электрод. Электрохимический ряд напряжений металлов. Уравнение Нернста. Электролиз. Особенности протекания электролиза в растворах и расплавах. Законы Фарадея. Выход по току.

Примеры решения типовых задач

Задача №1.

Подберите коэффициенты для окислительно-восстановительных реакций. Укажите, какой элемент является окислителем, а какой – восстановителем. Приведите электронно-ионные уравнения процессов окисления и восстановления.

а) HI + Cl₂ → HCl + I₂

б) H₂SO₄ + C → CO₂ + H₂O + SO₂

в) NaNO₂ + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → NaNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

г) Ca + HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + N₂O + H₂O

Алгоритм решения

а) HI + Cl₂ → HCl + I₂

О

+1 -1 0 +1 -1 0

HI + Cl₂ → HCl + I₂

пределим степени окисления элементов, которые участвуют в этой реакции:

Таким образом, степень окисления меняют элементы I и Cl. I повышает степень окисления от -1 до 0, то есть является восстановителем, а Cl понижает степень окисления от 0 до -1, то есть является окислителем.

Число атомов в левой и правой части каждого уравнения должно быть одинаковым. В левой части уравнения окисления перед I^-1 ставим коэффициент 2, тогда число атомов йода уравнивается. Аналогично в правой части уравнения восстановления проставляем коэффициент 2 перед Cl^-1 , при этом уравнивается число атомов хлора.

Заряды в левой и правой частях каждого уравнения также должны быть равны. Исходя из этого определяем число электронов, участвующих в процессах окисления и восстановления. Таким образом, в процессе окисления 2 атома йода отдают два электрона, а в процессе восстановления 2 атома хлора принимают два электрона.

Число отданных и принятых электронов уравниваем с помощью множителей, которые ставятся справа за чертой в уравнениях электронного баланса. В данном случае множители равны 1, так как число электронов, участвующих в процессах окисления и восстановления одинаково. Итак, запишем уравнения электронного баланса для данной окислительно-восстановительной реакции:

Умножаем полученные множители на коэффициенты, стоящие перед веществами в уравнениях окисления и восстановления и получаем теперь уже коэффициенты для уравнения окислительно-восстановительной реакции. Таким образом, перед I^-1 - коэффициент 2, I₂⁰ – коэффициент 1, перед Cl₂⁰ – коэффициент 1, перед Cl^-1 - коэффициент 2. Проставляются коэффициенты перед теми веществами, которые содержат элементы в данных степенях окисления. Перед веществом HI, где содержится I^-1 ставим коэффициент 2, и т.д. Записываем полное уравнение окислительно-восстановительной реакции:

+1-1 0 +1 -1 0

2HI + Cl₂ → 2HCl + I₂

Проверим число атомов элемента, который не меняет степень окисления в процессе данной реакции. Этот элемент водород. В левой и правой частях уравнения по два атома водорода. Следовательно, уравнение составлено верно.

б) H₂SO₄ + C → CO₂ + H₂O + SO₂

Определим степени окисления элементов, которые участвуют в этой реакции:

+1 +6 -2 0 +4 -2 +1 -2 +4 -2

H₂SO₄ + C → CO₂ + H₂O + SO₂

Степень окисления меняют элементы C и S. C повышает степень окисления от 0 до +4, то есть является восстановителем, а S понижает степень окисления от +6 до +4, то есть является окислителем.

0 +4

C → C окисление

восстановитель

+6 +4

S → S восстановление

окислитель

Число атомов в левой и правой части каждого уравнения должно быть одинаковым. В данном случае число в обоих уравнениях оно одинаково и равно 1. Заряды в левой и правой частях каждого уравнения должны быть равны. Исходя из этого, определяем число электронов, участвующих в процессах окисления и восстановления. Таким образом, в процессе окисления один атом углерода отдает 4 электрона, а в процессе восстановления один атом серы принимает 2 электрона.

0 +4

C - 4 ē → C окисление

восстановитель

+6 +4

S + 2 ē → S восстановление

окислитель

Уравняем число электронов, участвующих в процессах окисления и восстановления. Для процесса восстановления множитель будет равен 2, а для процесса окисления 1. Запишем уравнения электронного баланса:

0 +4

C - 4 ē → C 1 окисление

восстановитель

+6 +4

S + 2 ē → S 2 восстановление

окислитель

Умножаем полученные множители на коэффициенты, стоящие перед веществами в уравнениях окисления и восстановления. Получаем коэффициенты для окислительно-восстановительной реакции: перед C⁰ и С⁺⁴- коэффициент 1, перед S⁺⁶ и S⁺⁴ - коэффициент 2. Эти коэффициенты показывают, сколько атомов элемента в данной степени окисления должно участвовать в химической реакции. Проверяем число атомов C и S в химическом уравнении:

+1 +6 -2 0 +4 -2 +1 -2 +4 -2

H₂SO₄ + C → CO₂ + H₂O + SO₂

Из уравнения видно, что число атомов углерода в степенях окисления 0 и +4 равно 1, то есть здесь коэффициенты проставлять не нужно. Число атомов серы в степенях окисления +4 и +6 должно быть равно 2. Таким образом, перед веществами H₂SO₄ и SO₂ нужно проставить коэффициент 2:

+1 +6 -2 0 +4 -2 +1 -2 +4 -2

2H₂SO₄ + C → CO₂ + H₂O + 2SO₂

Проверим количества атомов, не меняющих степень окисления в данной химической реакции. Это элементы O и H. В левой и правой частях уравнения число атомов этих элементов должно быть одинаковым. Сначала уравниваем количество атомов водорода. Итак, количество атомов водорода в левой части уравнения равно 4, а в правой части уравнения – 2. Проставляем коэффициент 2 перед H₂O:

+1 +6 -2 0 +4 -2 +1 -2 +4 -2

2H₂SO₄ + C → CO₂ + 2H₂O + 2SO₂

В последнюю очередь проверяем количество атомов кислорода в левой и правой частях уравнения. Оно равно 8. Таким образом, все коэффициенты подобраны правильно.

в) NaNO₂ + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → NaNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

Определим степени окисления элементов, которые участвуют в этой реакции:

+1 +3 -2 +1 +6 -2 +1 +6-2 +1 +5-2 +3 +6 -2 +1 +6 -2 +1 -2

NaNO₂ + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → NaNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

С

+3 +5

N → N окисление

восстановитель

+6 +3

Cr → Cr восстановление

окислитель

тепень окисления меняют элементы N и Cr. N повышает степень окисления от +3 до +5, то есть является восстановителем, а Cr понижает степень окисления от +6 до +3, то есть является окислителем.

Число атомов в левой и правой части каждого уравнения должно быть одинаковым. В данном случае коэффициенты одинаковы и равны 1. Заряды в левой и правой частях каждого уравнения должны быть равны. Исходя из этого, определяем число электронов, участвующих в процессах окисления и восстановления. Таким образом, в процессе окисления один атом азота отдает 2 электрона, а в процессе восстановления один атом хрома принимает 3 электрона.

+3 +5

N - 2ē → N окисление

восстановитель

+6 +3

Cr +3ē→ Cr восстановление

окислитель

Уравняем число электронов, участвующих в процессах окисления и восстановления. Для процесса восстановления множитель будет равен 2, а для процесса окисления 3. Запишем уравнения электронного баланса:

+3 +5

N - 2ē → N 3 окисление

восстановитель

+6 +3

Cr +3ē→ Cr 2 восстановление

окислитель

Умножаем полученные множители на коэффициенты, стоящие перед веществами в уравнениях окисления и восстановления. Получаем коэффициенты для окислительно-восстановительной реакции: перед N⁺³ и N⁺⁵- коэффициент 3, перед Cr⁺⁶ и Cr⁺³ - коэффициент 2. Эти коэффициенты показывают, сколько атомов элемента в данной степени окисления должно участвовать в химической реакции. Проверяем число атомов N и Cr в химическом уравнении:

+1 +3 -2 +1 +6 -2 +1 +6-2 +1 +5-2 +3 +6 -2 +1 +6 -2 +1 -2

NaNO₂ + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → NaNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

Из уравнения видно, что число атомов азота N⁺³ и N⁺⁵ в левой и правой частях уравнения равно 1, следовательно, перед веществами NaNO₂ и NaNO₃ нужно поставить коэффициент 3. Число атомов хрома Cr⁺⁶ и Cr⁺³ в левой и правой частях уравнения равно 2, следовательно, здесь коэффициент не нужен. Запишем уравнение химической реакции:

+1 +3 -2 +1 +6 -2 +1 +6-2 +1 +5-2 +3 +6 -2 +1 +6 -2 +1 -2

3NaNO₂ + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → 3NaNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

Теперь уравняем количества атомов, не меняющих степень окисления. Это элементы Na, H, K, O, S. В первую очередь уравниваются те элементы, которые входят в состав соединений, перед которыми коэффициент уже проставлен. Это элементы Na и K. Количество атомов натрия в левой части и в правой части уравнения равно 3, а количество атомов калия в левой и правой частях уравнения равно 2. Следовательно, коэффициенты проставлены верно. Далее уравниваем число атомов серы, так как она фигурирует в составе двух продуктов реакции. Количество атомов серы в левой части уравнения равно 1, в правой части уравнения равно 4. Отсюда делаем вывод, что необходимо проставить коэффициент 4 перед веществом H₂SO₄.

+1 +3 -2 +1 +6 -2 +1 +6-2 +1 +5-2 +3 +6 -2 +1 +6 -2 +1 -2

3NaNO₂ + K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ → 3NaNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O

В

+1 +3 -2 +1 +6 -2 +1 +6-2 +1 +5-2 +3 +6 -2 +1 +6 -2 +1 -2

3NaNO₂ + K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ → 3NaNO₃ + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 4H₂O

последнюю очередь уравниваем число атомов водорода и число атомов кислорода в уравнении реакции. Количество атомов водорода при этом в левой части уравнения будет равно 8, а в правой – 2. Ставим коэффициент 4 перед веществом H₂O.

Теперь считаем количество атомов кислорода: в левой части уравнения оно равно 29, в правой части уравнения – 29. Таким образом, все коэффициенты проставлены верно.

г) Ca + HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + N₂O + H₂O

О

0 +1 +5-2 +2 +5 -2 +1 -2 +1-2

Ca + HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + N₂O + H₂O

пределим степени окисления элементов, которые участвуют в этой реакции:

Степень окисления меняют элементы Ca и N. Ca повышает степень окисления от 0 до +2, т.е. является восстановителем, а N понижает степень окисления от +5 до +1, т.е. является окислителем.

0 +2

Ca → Ca окисление

восстановитель

+5 +1

N → N восстановление

окислитель

Число атомов в левой и правой части каждого уравнения должно быть одинаковым. В данном случае коэффициенты одинаковы и равны 1. Заряды в левой и правой частях каждого уравнения должны быть равны. Исходя из этого, определяем число электронов, участвующих в процессах окисления и восстановления. Таким образом, в процессе окисления один атом кальция отдает 2 электрона, а в процессе восстановления один атом азота принимает 4 электрона:

0 +2

Ca -2ē → Ca окисление

восстановитель

+5 +1

N + 4ē→ N восстановление

окислитель

Уравняем число электронов, участвующих в процессах окисления и восстановления. Для процесса восстановления множитель будет равен 2, а для процесса окисления 4. Запишем уравнения электронного баланса:

0 +2

Ca -2ē → Ca 4 окисление

восстановитель

+5 +1

N + 4ē → N 2 восстановление

окислитель

Умножаем полученные множители на коэффициенты, стоящие перед веществами в уравнениях окисления и восстановления. Получаем коэффициенты для окислительно-восстановительной реакции: перед N⁺⁵ и N⁺¹- коэффициент 2, перед Ca⁰ и Ca⁺² - коэффициент 4. Эти коэффициенты показывают, сколько атомов элемента в данной степени окисления должно участвовать в химической реакции. Проверяем число атомов N и Ca в химическом уравнении:

0 +1 +5-2 +2 +5 -2 +1 -2 +1-2

Ca + HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + N₂O + H₂O

Из уравнения видно, что в левой и правой частях уравнения количество атомов кальция равно 1, следовательно, перед веществами Ca и Ca(NO₃)₂ необходимо поставить коэффициент 4.

0 +1 +5-2 +2 +5 -2 +1 -2 +1-2

4Ca + HNO₃ → 4Ca(NO₃)₂ + N₂O + H₂O

Уравняем число атомов азота. В процессе восстановления участвуют два атома азота в степенях окисления N⁺¹ и N⁺⁵. В правой части уравнения N⁺¹ входит в состав соединения N₂O, где уже содержится два атома азота. Таким образом, перед ним коэффициент не нужен. В левой части уравнения N⁺⁵ входит в состав соединения HNO₃, таким образом, перед ним необходимо поставить коэффициент 2. Однако азот в правой части уравнения фигурирует также в соединении Ca(NO₃)₂, где его степень окисления не меняется. Поэтому при проставлении коэффициента перед HNO₃ мы учитываем общее число атомов азота в правой части уравнения. 2 атома азота участвует в процессе восстановления до N⁺¹ , а еще 8 атомов азота не меняют степень окисления. Таким образом, всего в данной реакции участвуют 10 атомов азота. Проставляем перед HNO₃ коэффициент 10.

0 +1 +5-2 +2 +5 -2 +1 -2 +1-2

4Ca + 10HNO₃ → 4Ca(NO₃)₂ + N₂O + H₂O

Далее уравниваем число атомов водорода. Проставляем коэффициент 5 перед соединением H₂O. Теперь в левой и правой частях уравнения число атомов водорода равно 10.

0 +1 +5-2 +2 +5 -2 +1 -2 +1-2

4Ca + 10HNO₃ → 4Ca(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O

Наконец, уравниваем число атомов кислорода. В левой и правой частях уравнения оно равно 30. Следовательно, все коэффициенты проставлены верно.

Задача №2.

Записать схему гальванического элемента, состоящего из алюминиевого и медного электродов, погруженных в растворы своих солей; написать уравнения электродных процессов; написать уравнение реакции, которая протекает в гальваническом элементе; рассчитать электродвижущую силу гальванического элемента при стандартных условиях; рассчитать электродвижущую силу гальванического элемента при температуре 25 ⁰С и концентрациях С(Al³⁺) = 0,2 моль/л; С(Cu²⁺) = 0,5 моль/л.

Алгоритм решения

Определим стандартные электродные потенциалы ⁰ для металлов, из которых составлен гальванический элемент: = 1,662 В; = + 0,3419 В.

Так как потенциал алюминия ниже, чем у меди, он будет являться анодом, а медный электрод – катодом. На аноде происходит процесс окисления, а на катоде – процесс восстановления. Запишем уравнения электродных процессов: