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

Решение. Значение удельной электропроводности находим по формуле:

ᴂ = K/R,

где K – постоянная сосуда, см-1;

R – сопротивление раствора между электродами, Ом. Постоянную сосуда определяем по геометрическим размерам

электролитической ячейки

K = l/S,

где l – расстояние между электродами, см;

S – площадь электрода, см2.

Сопротивление раствора определяем по закону Ома:

R = U/J,

где U – напряжение, В; J – сила тока, А.

Тогда уравнение для удельной электропроводности можно записать следующим образом:

Пример 2. 70%-ный по весу раствор H2SO4 имеет при 18оС плотность d = 1,615 г/см3 и удельную электропроводность ᴂ = 0,2157 Ом-1•см-1. Найти значение эквивалентной электропроводности λ.

Решение:

Удельная электропроводность определяется по формуле:

λ= 1000 ᴂ /Сэ,

21

Концентрация раствора Сэ определяется по формуле:

Сэ = gdn10/M,

где g - концентрация по весу, %; d – плотность раствора, г/см3;

n – валентность;

М – молекулярная масса H2SO4 (двухвалентная кислота). Тогда:

Решение:

Известно, что значение эквивалентной электропроводности при

22

Подвижность катиона = • λ ∞ = 0,494 • 129,5 = 64 Ом-1 • см2.

Тогда λ ∞ NH4OH = + = 64 + 174 = 238 Ом-1 • см2.

Ответ: λ ∞ NH4OH = 238 Ом-1 • см2.

Электролиз. Законы Фарадея Пример 1. При электролизе хлорида натрия на катоде

выделилось 2,8 г водорода. Какой газ выделился на аноде и какова его масса?

Решение:

2Н2О + 2NaCl Cl2 + Н2 + 2NaOH

Количнство молей выделившегося Н2 равно:

Пример 2. Определить вермя, необходимое для осаждения на катоде 5,6 г железа при пропускании постоянного тока силой 3,5 А через водный раствор хлорида железа (III).

Решение:

По закону Фарадея:

m = k J τ = k Q,

где m – масса вещества, выделившаяся на электроде, г; J – сила тока, А;

τ – продолжительность электролиза, ч;

k – электрохимический эквивалент, г/А•ч; Q – количество электричества, Кл или А•ч. Тогда

τ =

23

τ = = 0,77 ч.

Ответ: τ = 0,77 ч.

Пример 3. Составьте схемы электролиза водных растворов: а) сульфата меди; б) хлорида магния; в) сульфата калия. Во всех случаях электролиз проводится с использованием угольных электродов.

Решение:

а) В растворе сульфат меди СuSO4 диссоциирует на ионы:

СuSO4 + SO42-

На катоде будет восстанавливаться медь. Сульфат-ион на аноде не окисляется, так как это кислородосодержащий анион; на аноде будет протекать реакция окисления воды. Угольные электроды нерастворимые (инертные).

Схема электролиза:

б) диссоциация хлорида магния MgCl2: MgCl2 + 2

Ионы магния не могут восстанавливаться из водных растворов (идет реакция восстановления воды), хлорид-ионы (бескислородный анион) будут окисляться на аноде.

Схема электролиза:

2Н2О + 2 = Н2 + 2 2 - 2 = Cl2

Суммарная реакция:

Cl2 + Н2 + Mg2

в) диссоциация сульфата калия в водном растворе К2SO4 2K+ + SO42-

24

Ионы калия и сульфат-ионы не могут разряжаться на электродах в водном растворе, следовательно, на катоде будет протекать восстановление воды, а на аноде – окисление воды.

Схема электролиза:

2Н2О + 2 = Н2 + 2

Электродные потенциалы и ЭДС гальванических элементов

Пример 1. На основании стандартных потенциалов определить, какой из следующих гальванических элементов имеет

наибольшую ЭДС.

а) Al | Al3+ || Ni2+ |Ni; б) Mg | Mg2+ || Ni2+ |Ni

=- 0,250 В.

=-1,663 В.

=- 2,363 В.

Решение:

ЭДС гальванического элемента рассчитывается как разность потенциалов:

ЭДС = -

Данные гальванические элементы составлены из стандартных электродов, поэтому:

Пример 2. Окислительно-восстановительный потенциал системы Fe3+/Fe2+ в 0,1 м растворе НСl при температуре 18°С равен 0,387 В. Вычислить стандартный потенциал окислительновосстановительной системы, если средние коэффициенты активности FeCl3 и FeCl2 в указанном растворе равны 0,33 и 0,08, соответственно.

25

Решение:

Уравнение электродной реакции.

Fe3+ + → Fe2+

Для любого электрода, на котором протекает подобная реакция, общим выражением для электродного потенциала Е будет:

Е = Е° + 2,3 lg .

Для исходной системы:

Е = + lg .

Для 18°С = 0,058, где n – число электронов,

принимающих участие в окислительно-восстановительной реакции (в нашем случае n = 1).

=С • f • ν = 0,1 • 0,33 • 1 = 0,033

=С • f • ν = 0,1 • 0,08 • 1 = 0,008

Е – 0,058 lg = 0,387 – 0,014 = 0,373 В.

Ответ: 0,373 В.

Пример 3. Вычислить при 25°С ЭДС следующего элемента: (+)

Сd | CdCl2 || ZnCl2 | Zn (-).

2 м 0,005 м

Стандартные электродные потенциалы Сd2+/ Сd и Zn2+/Zn соответственно равны - 0,402 и -0,763 В. Средние коэффициенты активности CdCl2 и ZnCl2 в растворах указанных концентраций равны 0,044 и 0,789. Диффузионный потенциал на границе двух электролитов не учитывать.

Решение:

ЭДС гальвонической цепи вычисляется по формуле:

ЭДС = Е2 – Е1 = - + lg ,

где Е2 – электродный потенциал положительного электрода; Е1 - электродный потенциал отрицательного электрода; а2 и а1 – активности катионов в обоих растворах.

26

Определение рН растворов методом ЭДС

Пример 1. Для элемента : (+) Hg | Hg2Cl2 (тв.), KCl || раствор |

H2 (Pt) (-) 1 м 1 атм

При 25°С величина ЭДС равна 0,829 В. Каков рН раствора? Электродный потенциал каломельного электрода при 25°С равен

0,282 В.

Решение:

В качестве вспомогательного электрода при измерениях рН применяют обычно каломельный электрод с различной концентрацией KCl. Левая часть исходного элемента представляет собой каломельный электрод, а правая – водородный электрод.

ТЕСТЫ Задания 1-100 с выбором одного правильного ответа

1. Носитель заряда в электрохимической системе:

А) комплекс катионного типа; Б) комплекс молекулярного типа; В) молекула воды.

2. Электролит – это:

А) проводник электричества первого рода; Б) проводник электричества второго рода; В) проводник электричества третьего рода.

27

3. Скорость электрохимической реакции измеряется в

4.В закон М. Фарадея входит: А) количество электрической энергии; Б) количество электричества;

В) электропроводимость электродов и электролита.

5.Число Фарадея равно:

А) произведению заряда электрона на число Авогадро; Б) произведению заряда иона на число Авогадро; В) произведению заряда электрода на число Авогадро.

6. Теория С. Аррениуса о процессах:

А) электролитической диссоциации; Б) электролитической ассоциации; В) электролитической гидратации.

7. Носителем заряда в электрохимической системе может быть А) двойник; Б) тройник; В) квадруполь.

8.В теории Дебая – Хюккеля введено представление о А) ионной атмосфере; Б) электронной атмосфере; В) ионноэлектронной атмосфере.

9.Ионная сила раствора численно равна

А) половине суммы произведения квадрата степени окисления на концентрацию; Б) половине суммы произведения квадрата заряда на концентрацию;

В) половине суммы произведения квадрата валентности на концентрацию.

частицам раствора.

28

11. Градиент концентрации приводит к появлению потока А) диффузии; Б) миграции; В) конвекции.

12. Электрофоретический эффект А) на движение центрального иона тормозящее действие оказывает ионная атмосфера;

Б) аналогичен эффекту Дебая – Фалькенгагена; В) на движение центрального иона ускоряющее действие оказывает ионная атмосфера.

13. Релаксационный эффект А) обусловлен конечным временем образования и разрушения ионной атмосферы; Б) аналогичен эффекту Вина;

В) обусловлен очень быстрым процессом образования и разрушения ионной атмосферы.

17. Элемент Даниеля-Якоби представляет собой электрохимическую цепь А) физическую; Б) концентрационную; В) химическую.

18. Электролит для медного кулонометра:

А) этиловый спирт, сульфат меди, серная кислота; Б) сульфат меди, серная кислота, сульфат натрия; В) сульфат меди, серная кислота, хлорид натрия.

29

19.Электрокапиллярная кривая – это графическая зависимость:

А) поверхностного натяжения от плотности тока; Б) поверхностного натяжения от электродного потенциала; В) плотности тока от электродного потенциала.

20.Уравнение Нернста справедливо

А) для неравновесных условий; Б) для равновесных условий; В) для электрода под внешним током.

21. Ж.Гуи и Д.Чапмен предложили теорию А) диффузного ДЭС; Б) диффузионного ДЭС; В) ДЭС в виде плоского конденсатора.

23. Почему электрокапиллярная кривая имеет ассиметричный

вид А) из-за изменения электродного потенциала;

Б) из-за изменения поверхностного натяжения; В) из-за различной энергии адсорбции катионов и анионов.

24.Минимальное значение на кривой дифференциальной емкости соответствует А) равновесному потенциалу; Б) стационарному потенциалу; В)

потенциалу нулевого заряда.

25.Пси-прим потенциал это:

А) потенциал внутренней плоскости Гельмгольца; Б) потенциал внешней плоскости Гельмгольца; В) потенциал диффузной части ДЭС.

26. Потенциал асимметрии есть А) у электродов первого рода; Б) у металлических электродов; В) у стеклянных электродов.

30