Задание 59

Составить схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению

Ni + Pb(NO₃)₂ = Ni(NO₃)₂ + Pb

Написать электронные уравнения анодного и катодного процессов. Вычислить ЭДС этого элемента, если [Ni⁺²] = 0,01 моль/л, [Pb⁺²] = 0,0001 моль/л.

Ответ:

Находим стандартные электродные потенциалы металлов:

Еº(Pb²⁺/Pb) = – 0,126 В

Еº(Ni²⁺/Ni) = − 0,23 B

Ni + Pb(NO₃)₂→ Ni(NO₃)₂ + Pb

Данная реакция – окислительно-восстановительная, в которой никель является восстановителем, а ионы свинца Pb²⁺ – окислителем. Данная реакция является токообразующей, поскольку она соответствует всем требованиям составления гальванического элемента. Мы имеем электрохимическую систему, которая состоит из двух электродов, имеющих электронную проводимость (проводник 1-го рода), и находящихся в контакте с ионным проводником (проводник 2-го рода).

Поскольку в данной реакции никель является восстановителем, то в гальваническом элементе никелевый электрод будет анодом, а свинцовый – катодом. Никелевый анод опущен в раствор нитрата никеля Ni(NO₃)₂, а свинцовый катод – в раствор нитрата свинца Pb(NO₃)₂.

Процессы окисления-восстановления на электродах:

Анод (-) Ni⁰ – 2е → Ni²⁺ | 1 – окисление на аноде

Катод (+) Pb²⁺ + 2e → Pb⁰ | 1 – восстановление на катоде

Суммируя реакции на аноде и катоде, получаем уравнение токообразующей реакции, которое в ионной форме, выражает происходящую в элементе реакцию:

Ni + Pb²⁺→ Ni²⁺ + Pb

Уравнение реакции, проходящей в гальваническом элементе, в молекулярном виде:

Ni + Pb(NO₃)₂→ Ni(NO₃)₂ + Pb

Электродные потенциалы анода и катода расчитываем по уравнению Нернста при 298ºК:

Е(катода) = Е(Pb²⁺/Pb) = Еº(Pb²⁺/Pb) + (0,059/2)*lg[Pb²⁺] = – 0,126 + 0,0295*lg0,0001 = – 0,126 + 0,0295*(–4) = – 0,244 В.

Е(анода) = Е(Ni²⁺/Ni) = Еº(Ni²⁺/Ni) + (0,059/2)*lg[Ni²⁺] = − 0,23 + 0,0295*lg0,01 = – 0,23 + 0,0295*(–2) = – 0,289 B

Рассчитываем ЭДС гальванического элемента :

Е = Е(катода) – Е(анода) = – 0,244− (− 0,289) = 0,045В.

Схема гальванического элемента.

А(-) Ni | Ni(NO₃)₂ || Pb(NO₃)₂ | Pb K(+)

Задание 92

Разложение нитрата аммония возможно по двум схемам:

NH₄NO_3(к) = N₂O_(г) + 2Н₂О_(г)

NH₄NO_3(к) = N_2(г) + 0,5О_2(г) + 2Н2О_(г)

Какая из приведенных реакций наиболее вероятна и какая реакция более экзотермична? Дать ответ на основе расчета ΔG⁰_х.р и ΔН⁰_х.р.

Ответ:

Находим стандартные энтальпии образования ΔН_f⁰ и энергии Гиббса образования веществ ΔG_f⁰:

ΔН_f⁰ (NH₄NO₃(к)) = -369,10кДж/моль

ΔG_f⁰(NH₄NO₃(к)) = -183,93 кДж/моль

ΔН_f⁰ (N₂O(г)) = 81,55кДж/моль

ΔG_f⁰ (N₂O(г)) = 104,12кДж/моль

ΔН_f⁰ (Н₂О(г)) = -241,84 кДж/моль

ΔG_f⁰ (Н₂О(г)) = -228,61кДж/моль.

Вычисление энтальпии и энергии Гиббса химической реакции осуществляется по формулам:

ΔG⁰_х.р = Σ (nΔG_f⁰) _кон −Σ (nΔG_f⁰)_нач ,

ΔН⁰_х.р = Σ (nΔН_f⁰) _кон −Σ (nΔН_f⁰)_нач.

1. Для реакции: NH₄NO₃(к) → N₂O(г) + 2Н₂О(г)

ΔН⁰_х.р = ΔН_f⁰ (N₂O(г)) + 2ΔН_f⁰ (Н₂О(г)) - ΔН_f⁰ (NH₄NO₃(к))

ΔН⁰_х.р = 81,55 + 2*(-241,84) - (-369,10) = -33,03кДж/моль.

ΔG⁰_х.р=ΔG_f⁰ (N₂O(г)) + 2ΔG_f⁰ (Н₂О(г)) - ΔG_f⁰ (NH₄NO₃(к))

ΔG⁰_х.р = 104,12 + 2*(-228,61) - (-183,93) = -169,17 кДж/моль.

2. Для реакции: NH₄NO₃(к) → N₂(г) + 0,5О₂(г) + 2Н₂О(г)

ΔН⁰_х.р = 2ΔН_f⁰ (Н₂О(г)) - ΔН_f⁰ (NH₄NO₃(к))

ΔН⁰_х.р = 2*(-241,84) - (-369,10) = -114,58кДж/моль.

ΔG⁰_х.р=2ΔG_f⁰ (Н₂О(г)) - ΔG_f⁰ (NH₄NO₃(к))

ΔG⁰_х.р = 2*(-228,61) - (-183,93) = -273,29 кДж/моль.

Термодинамически возможно протекание обоих процессов, т. к. их ΔG<0. Но по абсолютному значению во второй реакции энергия Гиббса больше, а значит такой процесс более вероятен. Также вторая реакции более экзотермична, т.к. протекает с выделением большего количества тепла.