Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая химия. Часть I. Учебное пособие для самостоятельной подготовки студентов
.pdf
121
3. Вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из платиново-
Pt/Pt
2
A/A
3
Pt/Pt
2
A/A
3
⊕ : Pt2+ + 2ē = Pt
катод
3
⊖ : Аℓ – 3ē = Аℓ3+
анод
2
го электрода, погруженного в 0,01 м раствор соли РtСℓ2 и алюминиевого
электрода, погруженного в 0,001 м раствор соли АℓСℓ3 .
Решение
Схема гальванического элемента: Рt/РtСℓ2 // АℓСℓ3 /Аℓ.
Для того, чтобы определить: какой электрод является катодом и какой –
анодом, выпишем значения стандартных электродных потенциалов платины
и алюминия:
= +1,20 В;
= –1,66 В.
Поскольку стандартный потенциал платинового электрода больше (бо-
лее положительный,
ниевого электрода
= +1,20 В), чем стандартный потенциал алюми-
= –1,66 В), поэтому платиновый электрод будет
выступать в качестве катода (+), а алюминиевый электрод – в качестве анода
(–).Схема гальванического элемента: Рt/РtСℓ2 // АℓСℓ3 /Аℓ.
⊕ ⊖
катод анод
При замкнутой цепи или при работе гальванического элемента будут
протекать процессы:
суммарная реакция: 3Pt2+ + 6ē + 2Аℓ – 6ē = 3Pt + 2Аℓ3+ .
Катионы Pt2+ будут восстанавливаться на катоде, а атомы алюминия
на аноде будут окисляться и в виде гидратированных катионов Аℓ3+ переходить в раствор. Электроны по внешней цепи будут перемещаться с алюминевого электрода (с анода) на платиновый электрод (катод).
Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента вычисляется
как разность электродных потенциалов – катода и анода (27):
122
ЭДС = φ
Pt/Pt
2
A/A
3
nnn
MeMe/MeMe/Me
Cg
n
059,0
Me/Me
n
n
Me
C
222
PtPt/PtPt/Pt
Cg
2
059,0
2
059,0
333
AA/AA/A
Cg
3
059,0
3
059,0
A/APt/Pt
32
Ni/Ni
2
катода
– φ
анода
=
–
=
Находим значение электродных потенциалов платины и алюминия, используя приведенное уравнение Нернста (26):
,
где
– стандартный электродный потенциал металла, В;
n – количество отданных или принятых электронов;
– концентрация катионов металла в растворе, м/л;
= +1,20+
= –1,66 +
ℓg10–2 =1,20 – 0,059=1,141 В
ℓg10–3 = –1,719 В.
ЭДС будет равна:
ЭДС =
= 1,141 – (1,719) = 2,860 В.
4. При каком условии будет работать гальванический элемент, электро-
ды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001 М
растворе, а другой такой же электрод – в 0,1 М растворе сульфата никеля.
= –0,25 В.
Решение
Гальванический элемент, в котором электроды изготовлены из одного и
того же металла, будет работать в том случае, если концентрации катионов
этого металла в приэлектродном пространстве будут значительно отличаться
друг от друга. Такой гальванический элемент называется концентрационным.
Схема гальванического элемента
Ni/NiSO4//NiSO4/Ni
⊕ ⊖
123
катод
2
Ni
C
2
Ni
C
катод (+) : Ni2+ + 2ē = Ni
1
анод (–) : Ni – 2ē = Ni2+
1
222
NiNi/NiNi/Ni
Cg
2
059,0
1
10g
2
059,0
222
NiNi/NiNi/Ni
Cg
2
059,0
3
10g
2
059,0
NiNiNiNi
анодаатод а
//
к
22
= 0,1 м/л;
= 0,001 м/л анод
Тот электрод, в приэлектродном пространстве которого концентрация
катионов Ni2+ выше, будет являться катодом (+), а тот электрод, в приэлектродном пространстве которого концентрация катионов Ni2+ ниже – анодом (–).
При замкнутой цепи при работе гальванического элемента будут протекать процессы:
суммарная реакция: Ni2+ + 2ē + Ni – 2ē = Ni + Ni2+ .
Вычисляем электродные потенциалы катода и анода, используя приведенное уравнение Нернста (26):
= –0,25 +
=
катод (+)
= –0,25 + (–0,0295) = –0,2795 В.
= –0,25 +
=
анод (–)
= –0,25 + (–0,0885) = –0,3385 В.
ЭДС гальванического элемента вычисляется как разность электродных
потенциалов катода и анода:
ЭДС =
= –0,2795 – (–0,3385) = 0,0590 В.
5. Какие реакции протекают на катоде и аноде при зарядке и разрядке
свинцового аккумулятора? Суммарное уравнение процесса:
Pb + PbO2 + 2H2SO4
2PbSO4 + 2H2O
124
Решение
анод (–): Pb0 – 2ē + HSO
4
= PbSO4 + H+
катод (+) : Pb4+O2 + 2ē + HSO
4
+ 3H+ = Pb2+SO4 + 2H2O
4
4
4
анод (условный): Pb2+SO4 + 2ē + H+ = Pb0 + HSO
4
катод (условный) : Pb2+SO4 + 2H2O – 2ē = Pb4+O2 + HSO
4
+ 3H+
4
4
4
катод (+) : NiO2 + 2ē + 2H2O = Ni(OH)2 + 2OH–
анод (–): Cd0 – 2ē + 2OH = Cd2+(OH)2
катод (условный) : Ni+2(OH)2 – 2ē + 2OH– = Ni+4O2 + 2H2O
Процессы при разрядке:
суммарная
реакция: Pb0 – 2ē + HSO
+ Pb4+O2 + 2ē + HSO
+ 3H+ =
= 2Pb2+SO4 + H+ + 2H2O или
Pb + PbO2 + 2HSO
+2H+ = 2PbSO4 + 2H2O
Процессы при зарядке:
суммарная реакция: PbSO4 + 2ē + H+ + PbSO4 + 2H2O – 2ē =
= Pb + HSO
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2HSO
+ PbO2 + HSO
+ 3H+ или
+2H+
6. Какие реакции протекают на катоде и аноде при зарядке и разрядке ни-
кель – кадмиевого целочного аккумулятора? Суммарное уравнение процесса:
Сd + NiO2 + 2H2O
Cd(OH)2 + Ni(OH)2
Решение
Процессы при разрядке:
суммарная реакция: NiO2 + 2ē + 2H2O + Cd – 2ē + 2OH– =
= Ni(OH)2 + 2OH– + Cd(OH)2 или
NiO2 + Cd + 2H2O = Ni(OH)2 + Cd(OH)2
Процессы при зарядке:
125
анод (условный) : Cd2+(OH)2 + 2ē = Cd0 + 2OH–
суммарная реакция: Ni(OH)2 – 2ē + 2OH– + Cd(OH)2 + 2ē =
катод (+) : 2NН
4
(водн.) + 2Мn+4О2 (тв.) + 2ē = Мn
32
О3 (тв.) + 2NH3 (водн.) +
2
O (ж)
анод (–): Zn0 – 2ē = Zn+2 (водн.)
4
4
анод (–): Zn – 2ē = Zn2+ ;
катод (+) : Ag2O + 2ē + H2O = 2Ag + 2OH–
= NiO2 + 2H2O + Cd + 2OH– или
Ni(OH)2 + Cd(OH)2 = NiO2 + Cd + 2H2O
7. Какие реакции протекают при работе сухого элемента, состоящего
из цинковой оболочки, контактирующей с влажной пастой из МnО2, NН4Сℓ
и угля?
Решение
суммарная реакция: 2NН
(водн.) + 2МnО2 (тв.) + 2ē + Zn – 2ē =
= Мn2О3 (тв.) + 2NH3 (водн.) + H2O (ж) + Zn+2 (водн.) или
2NН
(водн.) + 2МnО2 (тв.) + Zn = Мn2О3 (тв.) + 2NH3 (водн.) + H2O (ж) +
+ Zn+2 (водн.)
8. Гальванический элемент, используемый в космической технике и для
гоночных автомобилей, состоит из цинка, оксида серебра и раствора 40 %
КОН. Какие реакции протекают на катоде и аноде этого элемента при зарядке
и разрядке? Суммарное уравнение процесса:
Zn + Ag2O + H2O
Zn(OH)2 + 2Ag
Решение
Процессы при разрядке:
суммарная реакция при разрядке:
Zn – 2ē + Ag2O + 2ē + H2O = Zn2+ + 2Ag + 2OH– ;
или
Zn + Ag2O + H2O = Zn2+ + 2Ag + 2OH– .
126
Процессы при зарядке:
анод (условный) : Zn2+ + 2ē = Zn;
катод (условный) : 2Ag + 2OH– – 2ē = Ag2O + H2O
2
H/H2
2
H/H2
H
C
H
C
H
C
H
C
2
059,0
00,010g
2
059,0
2
10
H/H2H/H2
22
2
/2/2
059,0
22
HHHHH
gC
n
суммарная реакция при зарядке:
Zn2+ + 2ē + 2Ag + 2OH– – 2ē = Zn + Ag2O + H2O или
Zn2+ + 2Ag + 2OH– = Zn + Ag2O + H2O
9. Чему равен потенциал водородного электрода при рН = 10?
Решение
На водородном электроде протекает обратимая реакция:
2Н+ + 2ē
H2
Согласно приведенному уравнению Нернста, потенциал водородного
электрода запишется (26):
, где
– реальный потенциал водородного электрода, В;
– стандартный потенциал водородного электрода, 0,00 В;
n – количество принятых ионами Н+ электронов, 2ē;
– концентрация ионов водорода в растворе, м/л.
Если рН = 10, то концентрация ионов водорода,
рН = – ℓg
= 10. Откуда,
= 10
–10
м/л
будет равна:
и потенциал водородного электрода:
(–20) = 0,00 + (–0,59) = –
0,59В.
10. Водородный электрод погружен в раствор с рН = 0. На сколько изме-
нится потенциал электрода, если раствор нейтрализовать до рН = 7?
127
Решение
2
HH/H2H/H2
gC
n
059,0
22
2
H/H2
2
H/H2
H
C
H
C
H
C
2
059,0
00,010g
2
059,0
2
7
H/H2H/H2
22
Fe/Fe
2
A/A
3
Ag/Ag
На водородном электроде протекает обратимая реакция:
2Н+ + 2ē
H2 .
Согласно приведенному уравнению Нернста, потенциал водородного
электрода записывается (26):
, где
– реальный потенциал водородного электрода, В;
– стандартный потенциал водородного электрода, 0,00 В;
n – количество принятых ионами Н+ электронов, 2ē;
– концентрация ионов водорода в растворе, м/л.
Если рН раствора равняется 7, то концентрация ионов водорода будет
равна:
рН = – ℓg
= 7. Откуда,
= 10–7 м/л.
Потенциал водородного электрода:
(–14) = 0,00 + 0,059 (–7) =
= –0,41 В.
Следовательно, потенциал водородного электрода изменился на -0,41 В.
11. Железные пластинки опущены в водные растворы АℓСℓ3 и АgNО3 .
С какими из этих солей будет реагировать железо (Fе)?
Решение
Выпишем значение стандартных электродных потенциалов металлов –
Fе, Аℓ и Аg:
= –0,44 В
= –1,66 В
= +0,80 В
128
Согласно значениям стандартных электродных потенциалов, железные
Ag/Ag
Fe/Fe
2
Fe – 2ē = Fe2+
анод ⊖
1
Ag+ + 1ē = Ag0
катод ⊕
2
Fe/Fe
2
AA /
3
пластинки будут реагировать только с раствором АgNО3 , поскольку
= +0,80 В, а
= –0,44 В (железо будет вытеснять катионы Аg+
из раствора).
При контакте железных пластинок с раствором АgNО3 будет образовываться множество микрогальванических элементов, в которых железо будет
являться анодом (–), а примеси, присутствующие в железных пластинках,
имеющие более высокий стандартный электродный потенциал, чем Fе, будут
выступать в качестве катодов (+) на которых будет происходить восстановление катионов серебра Аg+:
суммарная реакция: Fe – 2ē + 2Ag+ + 2ē = Fe2+ + 2Ag0 .
Железные пластинки с раствором АℓСℓ3 реагировать не будут, посколь-
ку
= –0,44 В, а
= –1,66 В, поэтому железо не будет вытес-
нять катионы Аℓ3+ из раствора. Микрогальванические элементы в этом случае
образовываться не будут. Возможно протекание лишь обратной реакции, т. е.
если тщательно зачищенную алюминиевую пластинку опустить в раствор
FeСℓ2 . Тогда будет возможно образование множества микрогальванических
элементов, в которых алюминий будет являться анодом (–), а в качестве катоде (+), будут выступать примеси в алюминии, имеющие более высокий стандартный электродный потенциал, чем Аℓ, на которых будет происходить восстановление железа (Fе2+):
129
Аℓ – 3ē = Аℓ3+
анод ⊖
2
Fe2+ + 2ē = Fe
катод ⊕
3
суммарная реакция: 2Аℓ – 6ē + 3Fe2+ + 6ē = 2Аℓ3+ + 3Fe.
B34,0
0
Cu/Cu
2
B80,0
0
Ag/Ag
Сu – 2ē = Cu2+
анод ⊖
1
Ag+ + 1ē = Ag
катод ⊕
2
B127,0;B37,2
0
Pb/Pb
0
Mg/Mg
22
12. Можно ли хранить раствор АgNО3 в медном сосуде?
Решение
Нельзя, поскольку при контакте АgNО3 с Сu в системе образуется множество микрогальванических элементов, в которых медный сосуд, Сu
выступает в качестве анода (–), а примеси, присутствующие в медном сосуде,
имеющие более высокий стандартный электродный потенциал, чем Сu, будут
выступать в качестве катодов (+) (на которых будет происходить восстанов-
ление Аg
+
:
суммарная реакция: Сu – 2ē + 2Ag+ + 2ē = Cu2+ + 2Ag
или полностью
Cu + 2АgNO3 = Cu(NO3 )2 + 2Аg.
13. В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней це-
пи гальванического элемента:
Mg/Мg2+//Pb2+/Pb,
Если растворы электролитов одномолярные?
Решение
Выпишем значение стандартных электродных потенциалов данных систем:
130
Из сравнения стандартных электродных потенциалов следует: при рабо-
0
Ag/Ag
0
Cu/Cu
2
A/A
3
те гальванического элемента, свинцовый электрод будет выступать в качестве
катода (+), как имеющий более положительный электродный потенциал по
сравнению с магниевым электродом, а магниевый электрод будет выступать
в качестве анода (–), как имеющий меньший потенциал по сравнению с электродным потенциалом свинца. Схема
Mg/Мg2+//Pb2+/Pb,
⊖ ⊕
анод катод
Электроны по внешней цепи будут перемещаться с анода на катод, т. е.
с магниевого электрода на свинцовый.
14. Из трех металлов Ag, Cu, Аℓ выберите ту пару, которая дает наи-
большую ЭДС:
Решение
Выпишем значение стандартных электродных потенциалов данных
электродов:
= +0,80 В;
= +0,34 В;
= –1,66 В
Электродвижущая сила(ЭДС) вычисляется как разность электродных
потенциалов – катода и анода (27). При сравнении электродных потенциалов
двух систем, тот электрод, который имеет наибольший потенциал (более положительный) будет являться катодом (+), а тот электрод, который будет
иметь меньший потенциал (менее положительный) будет являться анодом (–).
Рассмотрим последовательно все системы, т. е. составим поочередно
гальванические пары:
1) Аg/Аg+//Сu2+/Cu
⊕ ⊖
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]