4 и 5

ЗАДАЧИ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ №10

Вариант 1

1.	Среди нижеперечисленных металлов найти те, которые могут восстановить катион железа Fe2+: Mn, Zn, Pb, Cu.

Выпишем значения стандартных электродных потенциалов данных металлов:

φ⁰(Fe²⁺/Fe⁰)= - 0,473В φ⁰(Zn²⁺/Zn⁰) =-0,76 В

φ⁰(Mn²⁺/Mn⁰)= -1,18 В φ⁰(Pb²⁺/Pb⁰) =−0,126 В

φ⁰(Cu²⁺/Cu⁰) = +0,337 В

Так как Mn и Zn имеют более низкие электродные потенциалы, чем Fe, то поэтому они являются более сильными восстановителями по сравнению с железом:

Zn⁰ + Fe²⁺ → Zn²⁺ + Fe⁰

Mn⁰ + Fe²⁺ → Mn²⁺ + Fe⁰

Pb⁰ + Fe²⁺ ↛

Cu⁰ + Fe²⁺ ↛

2.	Среди нижеперечисленных катионов металлов найти те, которые могут окислить свинец: Mg+2, Zn+2, Hg+2, Ag+.

Согласно ряду напряжений металлов

φ⁰(Hg²⁺/Hg⁰)= 0,79 В φ⁰(Zn²⁺/Zn⁰) =-0,76 В

φ⁰(Mg²⁺/Mg⁰) = -2,36 В φ⁰(Pb²⁺/Pb⁰) = −0,126 В

φ⁰(Ag⁺/Ag⁰) = 0,799 В

Серебро и ртуть имеют стандартные электродные потенциалы выше, чем свинец.

Таким образом, катион серебра и катион ртути являются окислителями более сильными, чем катион свинца, и будут окислять Pb⁰ до Pb²⁺:

Hg²⁺ + Pb⁰ → Hg⁰ + Pb²⁺; 2Ag⁺+ Pb⁰ → 2Ag⁰ + Pb²⁺;

Mg⁺² + Pb⁰↛ ; Zn²⁺ + Pb⁰↛

3.	Рассчитать Э.Д.С. гальванического элемента (−) Zn(Pt) (+), если концентрация cульфата цинка ZnSO4 в растворе равна 0,01М, а концентрация серной кислоты H2SO4 – 0,0001М и полагая, что электролиты полностью дисссоциированы. В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней цепи при работе этого элемента?
Дано:	Решение
C(ZnSO4) = 0,01 моль/л C(H2SO4) = 0,0001 моль/л E0(Zn2+/Zn0) =-0,76 В E0(H+/H2) = 0 В	Для решения задачи воспользуемся формулой Нерста. E = E0 + 0.0591 *lg ([Ox]/[Red])/n E(Zn2+/Zn0) = E0(Zn2+/Zn0) + 0.0591 *lg ([Zn2+]/[ Zn0])/2 E(Zn2+/Zn0) = -0,76 + 0.0591 *lg (0,01/1)/2 = -0,8191 В E(H+/H2) == -E0(H+/H2) + 0.0591 *lg ([H+]/[ H2]) E(H+/H2) = -0,2364 В ЭДС гальванического элемента вычисляется как: E = E1 – E2 Причём, при вычислении ЭДС меньший (в алгебраическом смысле) электродный потенциал вычитается из большего. E = E(H+/H2) - E(Zn2+/Zn0) E = -0,2364 – (-0,8191) = 0.5827 В E(H+/H2) > E(Zn2+/Zn0) Значит, электроны будут двигаться от цинкового электрода к водородному электроду. При этом цинк будет растворяться.
E -?

Ответ: E = 0.5827 В; электроны будут двигаться от цинкового электрода к водородному электроду

4.	В гальваническом элементе протекает токообразующая реакция: Fe + NiCl2 = FeCl2 + Ni Составьте электронное уравнение реакции, если: = − 0,441 В; = − 0,23 В Какова схема работы этого элемента?

Ni²⁺ + 2e → Ni 2 1 катод

2

Fe - 2e → Fe²⁺ 2 1 анод

Fe + Ni²⁺ → Ni↓+ Fe²⁺

> , значит, электроны будут двигаться от железа к никелю.

Схема элемента имеет вид:

(−) Fe FeCl₂ NiCl₂ Ni (+),

5.	Составьте схему работы двух гальванических элементов, в одном из которых хром является анодом, в другом – катодом. Составьте уравнения электронных реакций, происходящих на электродах.

Хром является анодом:

3Cr + Fe(NO₃)₂ → Cr(NO₃)₂ + 2Fe↓

Fe²⁺ + 2e → Fe 2 1 катод E⁰(Fe²⁺/Fe)= -0,441 В

2

Cr - 2e → Cr²⁺ 2 1 анод E⁰(Cr²⁺/Cr)= -0,9 В

Cr + Fe²⁺ → Fe ↓+ Cr²⁺

E⁰(Fe²⁺/Fe)>E⁰(Cr²⁺/Cr) значит, электроны будут двигаться от хрома к железу

Схема элемента имеет вид:

(−)Cr Cr(NO₃)₂ Fe(NO₃)₂ Fe (+),

Хром является катодом:

Mn + Cr(NO₃)₂→ Mn(NO₃)₂ + Cr

Mn + 2e → Mn²⁺ 2 1 анод E⁰(Mn²⁺/Mn)= -1,18 В

2

Cr - 2e → Cr²⁺ 2 1 катод E⁰(Cr²⁺/Cr)= -0,9 В

Mn + Cr²⁺ → Cr ↓+ Mn²⁺

E⁰(Cr²⁺/Cr) > E⁰(Mn²⁺/Mn), значит, электроны будут двигаться от марганца к хрому.

Схема элемента имеет вид:

(−) Mn Mn(NO₃)₂ Cr(NO₃)₂ Cr (+),

Вариант 4(коррозия)

1.	Написать уравнения процессов, протекающих при электролизе расплава гидроксида лития на инертных электродах.

На инертных электродах протекают следующие процессы:

K(–):Li⁺ + e =Li⁰ A(+): 4OH⁻ −4e =2H₂O + O₂

Электролиз расплава нитрата калия имеет вид:

4LiOH →^ 4Li + H₂O↑ + О₂↑

2.	Напишите уравнения процессов, проходящих на электродах при электролизе водного раствора нитрата свинца с инертным анодом.

Нитрат свинца диссоциирует согласно уравнению:

Pb(NO₃)₂ = Pb²⁺ + 2NO3^-

.

K(–):  Pb²⁺ + 2е  → Pb⁰ 2 1

          2H₂О + 2е- = H₂ + 2ОН^- 2 4

А(+): 2H2O – 4e = 4H⁺ + O2↑ 4 1

Pb²⁺ +2H₂О + 2H2О → Pb⁰ + H₂ + 2ОН^- + O₂ + 4H⁺

Pb(NO₃)₂ + 2H₂O →^ Pb + H₂ + 2HNO₃ + O₂

3.

Железное изделие покрыли медью. Какое это покрытие – анодное или катодное? Почему? Составьте электронные уравнения анодного и катодного процессов коррозии этого изделия при нарушении покрытия во влажном воздухе и хлорводородной (соляной) кислоте. Какие продукты коррозии образуется в первом и во втором случаях?

Если железо покрыть медью мы получим катодное покрытие.

Процесс в нейтральной среде:

Катод(-):2H₂О + 2е- = H₂ + 2ОН^-

Анод(+): Fe -2e → Fe²⁺

Fe + 2H₂О → Fe(OH)₂ +  H₂ 

Затем Fe(OH)₂ окисляется до Fe(OH)₃

4 Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ →4 Fe(OH)₃

Процесс в кислой среде:

Катод(-):2H⁺ + 2е- = H₂ 

Анод(+): Fe -2e → Fe²⁺

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

Анодное покрытие

Для него мы можем использовать цинк

Процесс в нейтральной среде:

Катод(-):2H₂О + 2е- = H₂ + 2ОН^-

Анод(+): Zn -2e → Zn²⁺

Zn + 2H₂О →Zn(OH)₂ +  H₂ 

Процесс в кислой среде:

Катод(-):2H⁺ + 2е- = H₂ 

Анод(+): Zn -2e → Zn²⁺

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Вывод: При анодном покрытии разрушается анодный слой, а при катодном покрытии разрушается сама железное изделие, если нарушена защита (царапина)

4.	Напишите уравнения реакций, протекающих при электролизе водного раствора сульфата марганца (II) на марганцевом аноде. Как изменится рН среды около электродов?

При проведении электролиза с использованием активного (расходуемого) анода процесс  усложняется и конкурирующими реакциями на электродах являются следующие:             

на аноде — окисление анионов и гидроксид-ионов, анодное растворение металла — материала анода; 

на катоде — восстановление катиона соли и ионов водорода, восстановление катионов металла, полученных при растворении анода.                              

На аноде возможны процессы:

2H2O – 4e = 4H⁺ + O2↑ φ⁰₁ = 1,23 В

Mn -2e → Mn²⁺ φ⁰₂ = -1,18 В

Т.к φ⁰₂<φ⁰₁ , то будет происходить окисление марганца

На катоде:

2H₂O + 2e = 2OH^- + H₂↑ φ⁰₃ = -0,41 В

Mn²⁺+ 2e → Mn φ⁰₂ = -1,18 В

Т.к φ⁰₂<φ⁰₃ , то будет происходить выделение водорода.

Около анода рН будет кислый из-за гидролиза: Mn²⁺ + H₂O → MnOH⁺ +H⁺

Около катода рН будет щелочной

5.	При электролизе водного раствора ZnSO4 током 2А за 10 часов на катоде выделилось 1,25 л Н2. Рассчитать массу выделившегося цинка.

Сульфат цинка диссоциирует согласно уравнению:

ZnSO₄ = Zn²⁺ + SO₄^2-

.

K(–):  Zn²⁺ + 2е  → Zn⁰ 2 1

          2H₂О + 2е- = H₂ + 2ОН^- 2 4

А(+): 2H2O – 4e = 4H⁺ + O2↑ 4 1

Zn²⁺ +2H₂О + 2H2О → Zn⁰ + H₂ + 2ОН^- + O₂ + 4H⁺

ZnSO₄+ 2H₂O →^ Zn + H₂ ↑+ H₂SO₄ + O₂↑

Для того чтобы найти массу выделившегося цинка, воспользуемся уравнением закона Фарадея:

m = М_э*I*t/F , где m – масса образовавшегося вещества, г; М_э – его эквивалентная масса, п/моль; F – постоянная Фарадея (96500 Кл/моль)

m = 32,5*2*36000/96500 = 24,25 г

ν(H₂) = 1,25/22,4= 0,0558 моль

ν(Zn) =24,25/65 = 0,373 моль

выход цинка по току равен:

ω = 0,0558 моль/0,373 моль ≈ 0,15 или 15%

m(Zn)практ. =24,25 * 0,15 = 3.6375 г

Ответ: m(Zn)практ. = 3.6375 г