Контрольные задания и тесты по курсу «Теоретическая электрохимия». Методические указания

Министерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ И ТЕСТЫ ПО КУРСУ

«ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЯ»

Методические указания

Казань Издательство КНИТУ

2015

1

УДК 620.0197.5 ББК 34.66

Составители: проф. Н. Б. Березин доц. Ж. В. Межевич

Контрольные задания и тесты по курсу «Теоретическая электрохимия» : методические указания / сост. : Н. Б. Березин, Ж. В. Межевич; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2015. – 44 с.

Приведены варианты двух контрольных работ с примерами решения и тесты по курсу «Теоретическая электрохимия».

Предназначены для студентов заочной формы обучения, обучающихся по направлениям подготовки 18.03.01 «Химическая технология» по профилю «Технология электрохимических производств».

Подготовлены на кафедре технологии электрохимических производств.

Печатаются по решению методической комиссии института нефти, химии и нанотехнологий

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. М. Ф. Шаехов д-р техн. наук, проф. Р. Г. Ахметова

2

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

Вариант 0

Теоретическая часть

1.Электрохимические системы. Составные части электрохимических систем. Примеры и краткая запись.

2.Процессы переноса в электрохимических системах. Способы осуществления потока вещества. Электрохимическая проводимость. Удельная, эквивалентная электрическая проводимость. Ассоциация ионов в растворах.

3.Выбор относительной шкалы потенциалов. Электроды сравнения. Требования, предъявляемые к электродам сравнения. Хлорсеребряный электрод, его схематичная запись. Каломельный электрод. Электрохимическая реакция, протекающая на электроде.

4.Электрохимическое выделение металлов. Факторы, влияющие на скорость реакции. Образование двумерных, трехмерных зародышей, дендритов.

Практическая часть

1.При протекании тока через раствор соединения меди в течение одного часа на катоде выделилось 64 г меди. Какова была при этом сила тока?

2.Вычислить величину коэффициента активности при 20о С в

0,01 м водном растворе CsNO3, предполагая справедливость закона Дебая-Хаккеля с учетом размера ионов. Коэффициенты А и В для данного случая принять 0,54 и 0, 31•108 соответственно. Средний эффективный диаметр иона а = 3,0•10-8 см.

Вариант 1

Теоретическая часть

1.Законы Фарадея. Электрохимический эквивалент. Кажущиеся случаи отклонения от законов Фарадея. Примеры. Законы Фарадея и скорость электрохимической реакции.

2.Теории электропроводимости растворов. Простая гидродинамическая теория. Теория Дебая-Хюккеля-Онзагера. Электрохимический эффект. Релаксационный эффект. Первый и второй эффекты Вина.

3.Ионоселективные электроды. Ионнообменные мембраны. Уравнения для мембранного потенциала. Стеклянный электрод, его

3

схематичная запись. Уравнение для потенциала стеклянного электрода.

4. Анодное растворение металлов. Два наиболее типичных вида зависимости lgJ от Е при анодном растворении металлов. Анализ этих зависимостей. Потенциал пассивации (или потенциал Фладе). Скорость анодного процесса при растворении металлов.

Практическая часть

1.При электролизе раствора хлорида кальция на катоде на катоде выделилось 5,6 л водора (н.у). Какой газ выделился на аноде и какова его масса?

2.Вычислите время релаксации ионной атмосферы LiCl в 0,1

мводном его растворе при 25оС. Подвижность ионов Li+ и Cl- равны

38,68 и 76,32 Ом -1 • см2.

Вариант 2

Теоретическая часть

1.Выход вещества по току (Вт). Определение Вт в случае протекания через границу раздела проводник I рода - проводник II рода постоянного электрического тока и импульсного.

2.Теория электропроводимости по Эйрингу. Протолитическая теория электропроводимости.

3.Диффузия в растворах электролитов. Уравнение для диффузии. Дифузионный или жидкостный потенциал.

4.Теория пассивности. Равновесный потенциал пассивации. Пассивирующие слои. Падение потенциала в слое оксида.

Практическая часть

1.Определить время, необходимое для осаждения на катоде 6,4 г меди при пропускании постоянного тока силой 5,36 А через водный раствор сульфата меди.

2.Вычислить константы А и В в уравнении Дебая и Хюккеля при 20о С для ацетона. Диэлектрическая постоянная для ацетона при этой температуре равна 21,5.

4

Вариант 3

Теоретическая часть

1.Кулонометры. Три основных типа кулонометров. Медный кулонометр. Газовый водородно-кислородный кулонометр. Иодный кулонометр.

2.Конвективный перенос вещества в растворах. Уравнение для потока вещества, обусловленного конвекцией. Термодиффузия.

3.Теории строения двойного электрического слоя (ДЭС): теория Гельмгольца, теория Гуи-Чапмена, теория Штерна, теория Грэма.

4.Ион-ионное и ион-дипольное взаимодействие.

Практическая часть

1.Через расплавленный оксид алюминия пропускали ток

силой 16 А в течение 3 часов. Вычислить массу алюминия, выделившегося на катоде.

2. Вычислить величину коэффициента активности K2SO4 при температуре 25о С в 0,01 м водном его растворе, предполагая справедливость закона Дебая-Хюккели с учетом размера ионов. Коэффициенты А и В для данного случая равны 0,54 и 0,31•108. Средний эффективный диаметр иона K2SO4 а = 3•10-8 см.

Вариант 4

Теоретическая часть

1.Термодинамика электрохимических систем. Обратимые и необратимые системы. Примеры.

2.Разность потенциалов между соприкасающимися фазами. Элемент Вольта. Ряд Вольта. Контактная теория ЭДС гальванического элемента. Химическая теории ЭДС элемента.

3.Кинетика электродных реакций. Стадийность электродных реакций. Лимитирующая стадия реакции. Электрохимическая и диффузионная кинетика электродного процесса.

4.Потенциал нулевого заряда. Нулевые точки металлов. Методы определения и применение.

Практическая часть

1.Вычислить эффективную толщину ионной атмосферы при

25о С в 0,01 м водном растворе одно-двухвалентного электролита (раствор метилового спирта). Диэлектрическая проницаемость для метилового спирта 31,2.

5

2. Потенциал нулевого заряда. Нулевые точки металлов. Методы определения и применение.

Вариант 5

Теоретическая часть

1.Идеальные и реальные электрохимические системы. Первый

ивторой законы Фика. Закон Фика для реальной системы.

2.Теоретические основы электродного потенциала. Определение электродного потенциала. Факторы влияющие на значения электродного потенциала. Образование двойного электрического слоя.

3.Кинетика электродных реакций. Перенапряжение реакции. Предельный диффузионный ток. Перенапряжение кинетической стадии. Полное уравнение поляризационной кривой. Уравнения для катодной и анодной составляющей поляризационной кривой. Вывод уравнения Тафеля. Уравнение Фрумкина.

4.Неравновесные явления в растворах электролитов. Миграция.

Практическая часть

1.При электролизе воды на катоде выделилось 2,24 л газа

(н.у.). Определить массу газа, выделившегося на аноде.

2. Вычислить эффективную толщину ионной атмосферы при 25о С в 0,001 м растворе двух-трехвалентного электролита (раствор этилового спирта). Диэлектрическая проницаемость для этилового спирта 24,3.

Вариант 6

Теоретическая часть

1.Метод активности Льюиса. Активность и коэффициент активности. Ионная сила раствора.

2.Обратимые и необратимые электродные потенциалы. Равновесные электродные потенциалы. Электроды I рода. Потенциалопределяющие ионы. Уравнение Нернста для электродов I рода. Примеры электродов I рода.

3.Барьерные и безактивационные электрохимические реакции. Вывод уравнения Нернста. Порядок электрохимической реакции.

6

4. Двойной электрический слой (ДЭС). Идеально поляризуемые электроды. Характеристики ДЭС: электрокапиллярные явления, емкость ДЭС, электрокинетические явления.

Практическая часть

1.Вычислить величину ионной силы для раствора, содержащего на 1 л раствора 0,01 моль СаСl2 и 0,1 моль Na2SO4.

2.Применяя предельный закон Дебая и Хюккеля, вычислить

значение коэффициента активности для 0,01 м раствора Ba(OH)2. Коэффициент А уравнения Дебая и Хюккеля для воды при этих условиях равен 0,54.

Вариант 7

Теоретическая часть

1.Теория Дебая и Хюккеля. Расчет коэффициента активности по Дебаю и Хюккелю. Первое, второе и третье приближение теории Дебая и Хюккеля. Правило ионной силы Льюиса и Рендалла. Недостатки и ограничения теории Дебая и Хюккеля.

2.Электроды II рода. Схематичная запись электрода II рода. Пример. Уравнение Нернста для хлорсеребряного электрода. Потенциалопределяющая реакция. Электроды III рода. Пример. Уравнение Нернста для электрода III рода.

3.Перенапряжение диффузии. Первый закон Фика. Выражение для диффузионного перенапряжения. Перенапряжение химической реакции.

4.Какой потенциал называется стационарным? Какую роль при возникновении стационарного потенциала играют роль токи обмена частных электродных реакций? Что представляет собой ток обмена? Какая существует связь между током обмена и перенапряжением электродного потенциала?

Практическая часть

1. При пропускании постоянного тока силой в 6,4 А в течение 30 мин через расплав хлорида неизвестного металла на катоде выделилось 1,07 г металла. Определить состав соли, которую подвергли электролизу.

7

2. Вычислить время релаксации ионной атмосферы KOH в его 0,01 м водном растворе при 25°С. Подвижность ионов К+ и ОН- при 25°С равны 73,5 и 200 Ом-1•см2 соответственно.

Вариант 8

Теоретическая часть

1.Ионные равновесия в растворах электролитов. Константа равновесия. Ионное произведение воды рН растворов. Уравнение Зоренса. Сольволиз и буферные свойства растворов.

2.Окислительно-восстановительные электроды. Уравнение Нернста для окислительно-восстановительных электродов. Простые и сложные окислительно-восстановительные электроды. Примеры. Стеклянный электрод. Уравнение для потенциала стеклянного электрода.

3.Кинетика электрохимического выделения водорода. Перенапряжение выделения водорода. Влияние адсорбции (анионов, катионов, молекул), температуры, рН растворов на перенапряжение выделения водорода.

4.Описать механизм влияния поверхностно-активных веществ на поляризацию при катодном осаждении металлов.

Практическая часть

1.Вычислить величину ионной силы для раствора, содержащего в 1 л раствора 0,02 моль К3РО4 и 0,5 моль Al2(SO4)3.

2.В сосуд для измерения электропроводимости помещены платиновые электроды в форме ..... диаметром в 1,52 см, расстояние

между электродами 2,12 см. Сосуд заполнен 0,02 м раствором КNО3. При напряжении 0,4 В через данный раствор идет переменный ток 1,95 мА. Найти величину удельной и эквивалентной электропроводимости

раствора КNО3.

Вариант 9

Теоретическая часть

1.Теория электролитической диссоциации. Степень диссоциации. Закон разведения Оствальда.

2.Неравновесные (необратимые) потенциалы. Коррозия металлов (понятие). Скорость коррозии. Коррозия с кислородной

8

деполяризацией. Коррозия с водородной деполяризацией. Уравнения реакций.

3.Кинетика электролитического выделения кислорода. Механизм анодного образования кислорода. Перенапряжение выделения кислорода.

4.В чем заключается явление перепассивации (транспассивности) металлов? Привести соответствующую графическую характеристику.

Практическая часть

1.Подсчитать константу А в уравнении Дебая-Хюккеля при 20°С для бензола, если диэлектрическая постоянная среды Д = 2,3.

2.При 18°С подвижность иона натрия = 44,4 Ом-1•см2.

Значение эквивалентной электропроводимости при бесконечном разведении для соли СН3СООNа λ∞ = 78,1 Ом-1•см2. Найти λ∞ для кислоты СН3СООН и посчитать степень ее диссоциации при концентрации С = 10-3 м, если значение удельной электропроводности

этой кислоты при данной концентрации

æ = 4,1 • 10-5 Ом-1•см-1.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2

Вариант 0

Теоретическая часть

1.Основные стадии процесса катодного выделения металлов (описать сущность и дать пояснения каждой стадии).

2.Условия совместного выделения двух металлов на катоде при электролизе растворов, содержащих их соединения (привести необходимые выражения и дать пояснения к ним).

3.Вид кривых анодной поляризации, характеризующих процессы коррозию металлов. Проанализировать и пояснить, какое практическое значение они имеют.

Практическая часть

1. С помощью потенциометрического метода установлено, что рН некоторого раствора равен 5,4. Вычислить концентрацию гидроксильных ионов в этом растворе. Какова ЭДС цепи в этом случае получена?

9

2.Вычислить ЭДС цепи Zn│ZnSO4││CuSO4│Cu без учета диффузионного потенциала, если концентрация CuSO4 равна 150 г/л, а ZnSO4 – 50 г/л. Коэффициент активности CuSO4 f = 0,26, а

для ZnSO4 f = 0,42. Исходные данные: нормальные потенциал меди = 0,339 В, цинка = - 0,761 B.

3.На основании стандартных электродных потенциалов определите какой из следующих гальванических элементов имеет

наибольшую ЭДС

Zn | Zn2+ || Ni2+ | Ni и Cd | Cd2+ || Ni2+ | Ni0 .

=- 0,763 B.

=- 0,250 B.

=- 0,403 B.

Вариант 1

Теоретическая часть

1.Катодные реакции в процессах коррозии металлов. Катодные ингибиторы и механизм их действия на коррозионный процесс (ответ иллюстрировать коррозионными диаграммами Эванса).

2.Из каких слагаемых состоит перенапряжения переноса заряда (η)?

3.Основы теории электрохимической коррозии металлов (термодинамика коррозионного процесса и кинетические закономерности).

Практическая часть

1.Вычислять рН раствора, если ЭДС каломельно-водородной цепи при 18оС равна 0,494 В.

2.Вычислить ЭДС элемента Sn | Sn2+ || Pb2+ |Pb при 25оС, если

а1 = 0,35, а2 = 0,001 (а1,2 – активность растворов), определить полярность и написать реакции, происходящие на электродах (в направлении из самопроизвольного протекания). Левый электрод (Sn) является отрицательным полюсом, т.е. на нем происходит процесс окисления.

Исходные данные = - 0,1400 B, = - 0,1265 B.

10