С.В.Шишкина, Л.И. Ковязина
СБОРНИК ЗАДАЧ
ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОХИМИИ
Учебное пособие
Киров 2007
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Химический факультет
Кафедра технологии электрохимических производств
С.В.Шишкина, Л.И. Ковязина
СБОРНИК ЗАДАЧ
ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОХИМИИ
Утверждено
Ученым советом университета
в качестве учебного пособия
Киров 2007
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Вятского государственного университета
УДК 544.6(07)
Ш655
Рецензенты: кандидат технических наук, доцент кафедры химии и обучения химии Вятского государственного гуманитарного университета В.М. Тимонюк;
кандидат химических наук, доцент кафедры неорганической и физической химии Вятского государственного университета Ю.Н.Ушакова.
Шишкина С.В. Сборник задач по теоретической электрохимии: учебное пособие / Л.И.Ковязина. – Киров: Изд-во ВятГУ, 2007. – 78с.
Сборник задач соответствует программе курса “Теоретическая электрохимия” для студентов специальности 240302 «Технология электрохимических производств». Структура учебного пособия соответствует структуре лекционного курса по теоретической электрохимии. Его разделы содержат краткую теоретическую часть, примеры решения задач, задачи по всем разделам курса и приложения со справочными данными.
Редактор Е.Г.Козвонина
________________________________________________________________
Подписано в печать Усл. печ. л.
Бумага офсетная Печать матричная.
Заказ № Тираж 103 Бесплатно
Текст напечатан с оригинала-макета, предоставленного авторами.
610000, г.Киров, ул. Московская, 36.
Оформление обложки, изготовление – ПРИП ВятГУ.
С.В.Шишкина, Л.И.Ковязина, 2007
Вятский государственный университет, 2007
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1 ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ 5
Глава 2 РАВНОВЕСИЕ В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ 20
Глава 3 НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ 29
Глава 4 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ 36
Глава 5 ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ И НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ 57
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 64
ОТВЕТЫ НА ЗАДАЧИ 65
ПРИЛОЖЕНИЕ 67
Введение
Задачи данного учебного пособия подобраны в соответствии с целями углубления и закрепления знаний и навыков расчета с использованием основных взаимосвязей и математических соотношений электрохимии растворов, электродных равновесий и неравновесных электродных процессов. Авторы стремились к тому, чтобы при решении задач каждого раздела использовались знания из других разделов электрохимии и других химических дисциплин. С этой же целью в сборник включены и задачи повышенной сложности (помеченные звездочкой).
Каждая глава учебного пособия имеет краткое описание основных понятий, соотношений и формул, а также подробно разобранные примеры решения типичных задач.
Учебное пособие снабжено приложением, необходимым для решения задач.
Книга может использоваться и для самостоятельной работы студентов всех форм обучения по специальности 240302 «Технология электрохимических производств».
Глава 1 законы фарадея
В электрохимии рассматриваются реакции или протекающие за счет подведенной извне электрической энергии, или же наоборот - служащие источником ее получения. В первом случае электрохимическая система называется электролизером, во втором случае - химическим источником тока или гальваническим элементом.
В электролизере на электроде, присоединенном к отрицательному полюсу внешнего источника тока, происходит восстановление участника реакции. Этот электрод называется катодом. Электрод, на котором идет реакция окисления, называется анодом. Он присоединяется к положительному полюсу внешнего источника тока.
В гальваническом элементе реакция окисления происходит на отрицательном электроде (анод), а реакция восстановления - на положительном электроде (катод) элемента.
Для любой электрохимической системы справедлива установленная М.Фарадеем зависимость между количеством прореагировавшего вещества (Δm) и количеством прошедшего электричества (Q):
Δm = kэ∙Q = kэ∙I∙t, (1.1)
где kэ - электрохимический эквивалент;
I – ток;
t - время.
Электрохимический эквивалент - количество вещества, прореагировавшего при прохождении через электрохимическую систему единицы количества электричества. Для получения 1 г-экв любого вещества необходимо количество электричества равное 1 F (один Фарадей).
1 F = 96500 Кл = 26,8 А∙ч.
, (1.2)
где М - молекулярная масса участника реакции, г;
ν - количество молей данного вещества по уравнению реакции;
z - число электронов, участвующих в реакции.
При электроосаждении сплава его электрохимический эквивалент (kспл) можно рассчитать, если известна доля (Р) каждого металла в сплаве. Так как величина обратная электрохимическому эквиваленту - это расход электричества на 1 г металла, то расход электричества на 1 г сплава можно рассчитать по формуле
. (1.3)
Если на электроде при электрохимической реакции выделяется газ, то его объем (Vo) при нормальных условиях можно найти из закона Фарадея:
, (1.4)
,
где 0,0224 м3 - объем одного моля любого газа при нормальных условиях. Остальные обозначения те же, что и в уравнении (1.2).
Между объемом газа при нормальных и реальных условиях существует соотношение, определяемое объединенным газовым законом:
. (1.5)
Если газ собирают над раствором, то в формулу вводится поправка на давление насыщенных паров растворителя (h) над раствором при данной температуре (из справочника):
. (1.6)
Если на электроде одновременно происходит несколько реакций, то количество электричества на каждую реакцию (q) определяется выходом по току (ВТ) этой реакции:
. (1.7)
Таким образом, масса вещества, полученная (израсходованная) практически в электрохимической реакции с учетом выхода по току данного вещества, рассчитывается по формуле
. (1.8)
Если
вещество получается в компактном виде
(например, металл), то, зная его плотность
(
),
можно рассчитать толщину (
)
слоя осадка:
, (1.9)
где S – покрываемая поверхность;
i – плотность тока.
Затраты электрической энергии (W) на проведение электрохимического процесса:
W = I∙U∙t, (1.10)
где U – напряжение на ванне.
Удельный расход электроэнергии на единицу продукта:
. (1.11)
Удельный расход электроэнергии на 1 м2 покрытия:
. (1.12)
Выход по энергии (ВЭ):
, (1.13)
где Е – теоретическое напряжение разложения.