Примеры решения типовых задач

Задача 1. Потенциал водородного электрода равен - 0,145 В. Определите рН раствора и концентрацию ионов водорода в растворе.

Решение: Воспользуемся уравнением Нернста:

Е = Е ^о+ (RT/nF)lna_Н+;

Подставляя цифровые значения констант в уравнение (n=1 и Е^о_Н+=0) получим:

- 0,145 = Е^о_Н+ + 0,059lg[H⁺];

lg[H⁺]; = - 0,145/0,059 и [Н⁺] = 10^-2,45 моль/л.

Для расчета рН подставим значение концентрации протона в уравнение

рН = - lg_Н+ = - lg 10^-2,45 = 2,45.

Ответ: рН = 2,45; [Н⁺] = 10^-2,45 моль/л.

Задача 2. Никелевый и кобальтовый электроды опущены соответственно в растворы Ni(NO₃)₂ и Co(NO₃)₂. В каком соотношении должны быть концентрации ионов этих металлов, чтобы потенциалы обоих электродов были одинаковы?

Решение: По условии задачи Е_Ni= E_Co, c учетом n=2 получим:

Е^о_Ni2+ + 0,0295lg [Ni²⁺]= Е^о _Со2+ + 0,0295lg [Со²⁺]

Подставляя значения Е^о_Ni2+ = - 0, 250В, Е^о_Со2+ = - 0,277В получим:

lg ([Ni²⁺]/[Со²⁺] ) = 0,027 и ([Ni²⁺]/[Со²⁺] ) = 10^0,027 = 1,064

Ответ: ([Ni²⁺]/[Со²⁺] ) = 1,064.

Задача 3. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых цинк - отрицательный, а в другом - положительный электрод.

Решение: В гальванических элементах отрицательным электродом является анод, то есть на нем происходит процесс анодного окисления.

Zn- 2e^- Zn²⁺ (окисление): Е^о( Zn /Zn²⁺) = -0, 763В;

Следовательно, необходимо подобрать такой электрод, который по отношению с цинковым оказался бы положительное. Таким могут оказаться все электроды с Е^о( Ме /Меⁿ⁺) > - 0,763B, например, медный электрод: Е^о( Cu/Cu²⁺) = + 0, 337В. Таким образом первый гальванический элемент, где цинк-анод будет медно-цинковый элемент с ЭДС = 1,1В (см. выше текст, теоретическая часть).

Для того чтобы цинк был положительным электродом, катодом, необходимо, чтобы Е^о( Ме /Меⁿ⁺) < - 0,763В. Для этой цели могут быть использованы алюминовый (-1, 662В), марганцевый (-1,18В). Для последнего случая напишем напиши химические процессы на электродах:

Zn ²⁺ + 2e ^- Zn^o; Mn^o -2e^- Mn²⁺

Восстановление (катод) Окисление (анод)

С хема такого гальванического элемента может быть представлена в следующем виде:

Mn /Mn²⁺ // Zn²⁺ /Zn

Варианты задач по теме 4.2.2. Гальванический элемент

1. Охарактеризуйте проводники и диэлектрики.

2. Дайте определение понятиям: проводник, электрод, элемент.

3. Что такое гальванический элемент?

4. Как называются положительно и отрицательно заряженные полюса гальванического элемента и какие процессы на них происходят?

5. Почему в гальваническом элементе анод имеет отрицательный заряд, а в электролизере положительный?

6. В чем различие и сходство катодов в гальваническом элементе и электролизере?

7. Почему в катодной части электролизера фенолфталеин окрашивается в розовый цвет?

8. Что такой электролизер и чем он принципиально отличается от гальванического элемента?

9. Почему при смешении растворов катодных и анодных пространств электролизера розовая окраска фенолфталеина исчезает?

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

11. При какой концентрации ионов Zn²⁺ (моль/л) потенциал цинкового электрода станет на 0,015 В меньше его стандартного электродного? (0,3 моль/л)

12. При какой концентрации ионов Cu²⁺ ( в моль/л ) значение потенциала медного электрода становится равным стандартному потенциалу водородного элемента? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента состоящего из пластин кадмия и магния, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Mg²⁺]=[Cd²⁺ ]= 1,0 моль/л. Изменится ли величина э.д.с., если концентрацию каждого из ионов понизить до 0,01 моль/л?

13. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является катодом, а в другом- анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на электродах.

14. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению:

Ni + Pb(NO₃)₂ Ni(NO₃) ₂ + Pb

15. Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов. Вычислите ЭДС этого элемента, если [ Ni ²⁺] =0,01 моль/л; [Pb²⁺ ] = 0,0001 моль/л.

16. Вычислите потенциал железного электрода, опущенного в раствор, содержащий 0,0699г FeCl₂ в 0,5 литре воды.

17. Определите электродный потенциал меди, погруженный в раствор 0,0005н нитрата меди (II).