Додаток 3.Порядоквизначення напрямку окиснювально-відновних реакцій

Відомо, що напрямок перебігу процесів визначається з умови G⁰_реак < О. Для окиснювально-відновних процесівG⁰_реакрозраховується за формулою

G⁰_реак =  n E F,

де n – кількість електронів у сумарному молекулярно-іонному рівнянні окис-нювально-відновного процесу; Е – електрорушійна сила (ЕРС) гальванічного елемента, утвореного електродами, на яких відбуваються окиснювальні та відновні процеси; F – число Фарадея, 96500 Кл/моль.

Для виконання цієї умови необхідно, щоб ЕРС була позитивною. ЕРС гальванічного елемента розраховується за формулою:

Е = ⁰_окис – ⁰_відн.

Значення стандартних потенціалів окиснювально-відновних реакцій знаходять у таблицях. Потенціал окиснювача завжди більше потенціалу відновника. Чим більш позитивне значення потенціалу, тим сильнішим окиснювачом є система.

Приклад 1. Визначити напрямок перебігу окиснювально-відновної реакції:

2KMnO₄ + 8H₂SO₄ + 10KI  2MnSO₄ + 6K₂SO₄ + I₂ + 8H₂O.

Розвязання:

1. Визначення за таблицею (див. додат.1) стандартних значень окиснювально-відновних напівреакцій:

MnO₄^– + 8H⁺ + 5ē  Mn⁺² + 4H₂O; ⁰ = + 1,51 В,

I₂⁰ + 2ē  2I^–; ⁰ = 0,52 В.

Із значень стандартних потенціалів напівреакцій визначаємо, що MnO₄^– – окиснювач , I^– – відновник, тобто, напівреакції мають напрямок:

MnO₄^– + 8H⁺ + 5ē  Mn⁺² + 4H₂O

2I^– – 2ē  I₂⁰.

Е = _окис –  _відн = 1,51 – 0,52 = 0,99 В.

G⁰_реак =  nEF =  10 ^. 0,99 ^. 96500 = 955350 Дж/моль. Реакція відбувається у напрямку зліва направо:

2KMnO₄ + 8H₂SO₄ + 10KI  2MnSO₄ + 6K₂SO₄ + I₂ + 8H₂O.

Приклад 2. Визначити напрямок перебігу окиснювально-відновної реакції:

Cr₂(SO₄)₃ + 3Fe₂(SO₄ )₃ + K₂SO₄ +7H₂O  К₂Сr₂O₇ + 6FeSO₄ + 7H₂SO_{4 .}

Порівняти окиснювальні властивості іонів MnO4– та Сr2o72–у кислому середовищі.

Розвязання:

1. Визначення за таблицею (див. додат. 1) стандартних потенціалів напівреакцій.

Сr₂O₇^2– + 14H⁺ + 6ēCr⁺³+7H₂O;⁰= 1,36 В.

2Fe⁺³ + 2ē  2Fe⁺² ; ⁰ = 0,77 В.

Із значень стандартних потенціалів напівреакцій визначаємо, що Сr₂O₇^2– окис-ник, Fe⁺² – відновник, тобто напівреакції мають напрямок:

Сr₂O₇^2– + 14H⁺ + 6ē  Cr⁺³ +7H₂O;

2Fe⁺² – 2ē  2Fe⁺³;

Е = _окис –  _відн = 1,36 – 0,77 = 0,79 (В).

G⁰_реак =  nEF = 6 ^. 0,79 ^. 96500 = 457410 Дж/моль. Реакція відбувається з права наліво.

К₂Сr₂O₇ + 6FeSO₄ + 7H₂SO₄  Cr₂(SO₄)₃ + 3Fe₂(SO₄ )₃ + K₂SO₄ +7H₂O.

2. Порівняння окиснювальних властивостей іонів MnO₄^– та Сr₂O₇^2– у кислому середовищі.

Іон MnO₄^– більш сильний окиснювач, ніж Сr₂O₇^2–, тому що стандартний потенціал напівреакції відновлення MnO₄^– (1,51 В) більший, ніж стандартний потенціал напівреакції відновлення Сr₂O₇^2– (1,36 В).

Лабораторна робота № 2 гальванічні елементи

Мета роботи: придбання навичок розрахунків гальванічних елементів; ознайомлення з процесами, які проходять при їх роботі; вимірювання різниці потенціалів на електродах гальванічного елемента.

Робота виконується в два етапи. Перший – теоретичне обгрунтування даної роботи шляхом розрахунків гальванічних елементів. Другий  практичне ознайом-лення з процесами. які відбуваються при роботі гальванічних елементів.

І. Розрахунок гальванічних елементів.

Приклад розрахунку гальванічних елементів.

Розрахувати гальванічний елемент, який складається із залізного електрода,

зануреного у 0,01 М розчин FeSO₄ і нікелевого електрода, зануреного у 0,1 М розчин NiCl₂.

1. Визначення катода і анода у гальванічному елементі.

За таблицею знаходимо значення стандартних електродних потенціалів і розраховуємо потенціали електродів згідно з рівнянням Нернста:

⁰_Fe⁺²_Fe = –0,44 В, ⁰_Ni⁺²_Ni = –0,25 В ;

_Fe⁺²_Fe= ⁰_Fe⁺²_Fe + [Fe⁺²] = 0,44 + =0,44 – 0,059 = 0,50 В.

_Ni⁺²_Ni = ⁰_Ni⁺²_Ni + [Ni⁺²] = 0,25 + =0,25 – 0,03 = 0,28 В.

Потенціал нікелевого анода має більшу алгебраїчну величину, тому у даній парі він буде катодом, а залізний електрод – анодом.

2. Складання схеми гальванічного елемента:

() Fe  FeSO₄, 0,01 M  NiCl₂, 0,1 M  Ni (+).

3. Запис електродних процесів:

А: Fe⁰ – 2ē  Fe⁺²

K: Ni⁺² + 2ē  Ni⁰

Fe⁰ + Ni⁺²  Fe⁺² + Ni⁰  сумарний процес у гальванічному елементі.

4. Визначення електрорушійної сили (ЕРС, Е) гальванічного елемента.

Е = _кат  _анод = _Ni⁺²_Ni – _Fe⁺²_Fe = –0,28 – (0,50) = +0,22 В.

5. Розрахунок зміни енергії Гіббса і максимальної роботи:

G⁰= – А_mах =  nEF =  2 ^. 0,22 ^. 96500 = 42460 Дж.

На підставі наведеного прикладу виконати розрахунки гальванічних елементів, що складаються із:

1. Залізного електрода (залізної пластини, зануреної у 0,01 М розчин FeSO₄) і мідного електрода (мідної пластини, зануреної у 0,1 М розчин CuSO₄).

2. Цинкового електрода (цинкової пластини, зануреної у 1 М розчин ZnSO₄) і мідного електрода (мідної пластини, зануреної у 1 М розчин CuSO₄).

3. Цинкового електрода (цинкової пластини, зануреної у 1 М розчин ZnSO₄) і нікелевого електрода (нікелевої пластини, зануреної у 1 М розчин NiSO₄.)

4. Цинкового електрода (цинкової пластини, зануреної у 1 М розчин ZnSO₄) і залізного електрода (залізної пластини, зануреної у 1 М розчин FeSO₄.)

5. Залізного електрода (залізної пластини, зануреної у 1 М розчин FeSO₄) і мідного електрода (мідної пластини, зануреної у 1 М розчин CuSO₄).

Записи розрахунків занести до лабораторного протоколу.

ІІ. Ознайомлення з процесами, які відбуваються при роботі гальванічних елементів; вимірювання різниці потенціалів на електродах гальванічного елемента.

Для досліджень пропонуються гальванічні елементи по яких виконані розра-хунки на попередньому етапі роботи.

Для виконання дослідів треба скласти гальванічний елемент згідно зі схемою на рисунку. 1

VРис.1. Схема гальванічного елемента:

6 1 – вольтметр; 2,3  електроди; 4, 5–

2 3 електроліти; 6 – електролітичний

ключ

4 5

Для цього слід зачистити поверхню металевих електродів і опустити їх у розчини відповідних електролітів. Два стакани з електролітами сполучити електрохімічним ключем (U-подібною трубкою, заповненою насиченим розчином КСІ). Контакти вимірювального приладу і зразків зєднати з електродами, попередньо виявити полярність за значеннями стандартних потенціалів з урахуванням схеми гальванічного елемента. Зверніть увагу на концентрації розчинів, які записані на стаканах напівелементів.

Виміряти різницю потенціалів (U) на електродах гальванічних елементів і записати ці значення у протоколі. Порівняти їх з розрахованими значеннями ЕРС. Пояснити, чому вони значно відрізняються у випадку, коли електродами є нікелеві пластини. Згадати, що це повязано з хімічною поляризацією нікелевих електродів внаслідок їх пасивації. Визначити дійсне значення потенціалу нікелевого електрода в елементі 5, використовуючи заміряний та розрахований потенціал цинкового електрода.

Результати вимірів та розрахункові значення занести до таблиці.

Таблиця

№ пп Схема гальванічного елемента Розрахункові значення (В) Виміряні

_кат _ан ЕРС значення U(В)

1

2

3

4

5

По закінчення досліджень схему розімкнути та розібрати, металеві пластини промити та висушити фільтрувальним папером.