химия + методичка / kontr_z

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного

(2) процессов:

Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода. Так как концентрация ионов в растворе равна 1 моль/л, то ЭДС элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:

Пример 4. Увеличится или уменьшится масса цинковой

Решение: а)

б) в) г)

Из ряда напряжений следует, что каждый металл (не разлагающий воду) способен вытеснить из растворов солей те металлы, которые стоят после него в ряду напряжений, т.е. имеют большую алгебраическую величину Е°. Следует также иметь ввиду, что водород вытесняют из растворов кислот (кроме HNO3) только те металлы, которые имеют отрицательное значение Е°, т.е. стоят до водорода в ряду напряжений.

В реакциях а) и б) часть цинка переходит в раствор (в виде

их солей. Молярные массы: Zn=64,5 г/моль; Cu=63,5 г/моль; Pb=207,1г/моль.

91

а) 64,5 > 63,5 – масса пластинки уменьшится; б) 64,5< 207,1 – масса пластинки увеличится. Реакции в) и г) не протекают, поэтому масса пластинки не изменится.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

364.В два сосуда с голубым раствором медного купороса поместили в первый цинковую пластинку, а во второй – серебряную.

Вкаком сосуде цвет раствора постепенно пропадает? Почему? Составьте электронное и молекулярное уравнение соответствующей реакции.

365.Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является анодом, а в другом – катодом. Выразите электронными уравнениями процессы, происходящие при работе этих элементов. Вычислите ЭДС этих элементов, если электроды погружены в 0,001М растворы своих солей.

366.Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса стальной пластинки при взаимодействии её с растворами?

Составьте ионные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

367.ЭДС гальванического элемента, состоящего из медного и никелевого электродов, равна 0,59В. Изменится ли величина ЭДС, если взять 0,0001М растворы? Ответ подтвердите расчётом.

368.Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенци-

ал -1,23 В. Вычислите концентрацию ионов (в моль/л). Ответ:

369.Потенциал серебряного электрода в растворе

составил 95% от значения его стандартного электродного потенциала. Чему равна концентрация ионов Аg+ (в моль/л)?

Ответ: 0,20 моль/л.

370.Стальная пластинка была погружена в раствор . Ко-

гда пластина покрылась слоем меди, её вынули из раствора, обмыли,

92

высушили и взвесили. Масса пластинки увеличилась на 2г. Сколько граммов меди выделилось на пластинке?

Ответ: 16,5г.

371. При какой концентрации ионов значение

потенциала медного электрода становится равным стандартному по-

тенциалу водородного электрода? Ответ: 1,89∙10-12 моль/л

372. Какой гальванический элемент называется концентрационным? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, опущенных: первый в 0,01 н., а второй – в 0,1 н. растворы .

Ответ: 0,059 В.

373. Никелевую пластинку погрузили в раствор . Через

некоторое время пластинку вынули из раствора, обмыли, высушили и взвесили. Масса пластинки увеличилась на 5г. Сколько граммов серебра выделилось на пластинке? Ответ подтвердите расчётом.

Ответ: 6,87г.

374. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению

Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов. Вычислите ЭДС этого элемента, если =0,01 моль/л,

Ответ: 0,064 В.

375.Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке свинцового аккумулятора?

376.Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии:

а) с раствором б) с раствором в) с раствором г) с раствором

377. Гальванический элемент состоит из оловянного электрода, опущенного в 0,1М раствор , и водородного электрода, погруженного в раствор с концентрацией ионов , равной 10-4моль/л. Со-

ставить схему элемента, написать уравнение реакций, происходящих на электродах, рассчитать ЭДС этого элемента.

93

Ответ: 0,041 В.

378.Составьте два гальванических элемента, в одном из которых медь была бы анодом, а в другом – катодом. Рассчитать ЭДС в образованных гальванических элементах в стандартных условиях.

379.Принимая стандартный потенциал водородного электрода равным нулю, рассчитать потенциал водородного электрода, погруженного в раствор с рН=4.

Ответ: -0,232 В.

380.Принимая стандартный потенциал водородного электрода равным нулю, рассчитать потенциал водородного электрода, погруженного в чистую воду.

Ответ: -0,406 В.

381.Из данных электродов составить схемы гальванических элементов и на основании стандартных электродных потенциалов определить, в каком гальваническом элементе ЭДС будет больше:

б) 0,01 моль/л; в) 0,001 моль/л.

Ответ: ~ -0,789 В; ~ -0,818 В; ~ -0,847 В 383. Увеличится или уменьшится масса алюминиевой пластинки

тронов во внешней цепи гальванических элементов, составленных из следующих электродов:

Ответ: 1,124 В; 1,153 В.

386. Рассчитать ЭДС электрохимической цепи, образованной из одного и того же металла, погруженного в растворы своей соли с концентрацией ионов данных металлов 0,1 моль/л и 0,0001 моль/л:

94

a) б) . Определить направление движения электро-

нов во внешней цепи.

Ответ: 0,087 В; 0,087 В.

387. Два разных металла погружены в 0,0001 М водные растворы своих солей. Составить схемы гальванических элементов и вычислить ЭДС, определить направление движения электронов во внешней цепи для следующих электродов:

a)

б) и

Ответ :0,78 В; 0,342 В 388. Рассчитать ЭДС электрохимической цепи, образованной

электродами из одного и того же металла, погруженных в растворы своей соли с концентрацией ионов металла 1 моль/л и 0,00001 моль/л:

а) б)

Ответ: 0,145 В; 0,145 В.

389. Вычислить ЭДС гальванического элемента, состоящего из

390.Назвать три металла, которые могут быть использованы в качестве анода гальванического элемента, катодом которого является свинец. Составить схемы этих элементов и указать процессы, происходящие при их работе. Рассчитать ЭДС в стандартных условиях.

391.Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель играл бы роль анода, в другом – катода, написать электронные уравнения процессов, происходящих на электродах и рассчитать ЭДС гальванических элементов в стандартных условиях.

392.Вычислить ЭДС гальванического элемента, составленного

из медного электрода, погруженного в 0,001 М раствор и стан-

дартного водородного электрода.

Ответ: 0,253 В.

393. Электродами гальванического элемента являются две серебряные пластинки, одна из которых погружена в 1М раствор нитрата серебра, а другая – в 0,0001М раствор той же соли. В каком направлении перемещаются электроны при его работе? Рассчитать ЭДС этого гальванического элемента.

Ответ: 0,232 В.

95

394.Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых железо играло бы роль анода, а в другом – катода. Написать электронные уравнения процессов, происходящих на электродах

ирассчитать ЭДС этих элементов при условии, что металлы погружены в 0,001 М растворы их солей.

395.Два водородных электрода погружены: один – в водный

раствор щелочи , другой – в подкисленную воду .

Определить направление движения электронов и рассчитать ЭДС полученного гальванического элемента.

Ответ: 0,348 В.

396.Вычислить ЭДС гальванического элемента, состоящего из водородного электрода, погруженного в подкисленную воду

ижелезного электрода, погруженного в 0,0001 М раствор нитрата же-

леза (II).

Ответ: 0,44 В.

397.Потенциал марганцевого электрода, помещенного в раствор его соли, составил -1,238 В. Вычислить концентрацию ионов в

моль/л.

Ответ: 0,01 моль/л.

398. Написать схему концентрационного гальванического элемента, составленного из оловянных пластинок, опущенных в водные растворы своих солей с концентрациями: и

. Рассчитать ЭДС элемента.

Ответ: 0,059 В.

399. Вычислить концентрацию ионов (моль/л) в растворе, в

котором потенциал водородного электрода равен -232мВ. Ответ: 0,0001 моль/л.

400.Вычислить рН растворов, в которых потенциалы водородного электрода составляют: а) -174 мВ; б) -290 мВ; в) -116 мВ.

Ответ: 3; 5; 2.

401.Рассчитать потенциал водородного электрода, погруженно-

го в раствор с .

Ответ: -0,59 В.

402. Гальванический элемент состоит из оловянного электрода, погруженного в 0,1М раствор и свинцового электрода, погруженного 0,0001М раствор . Какой электрод будет анодом, а какой – катодом? Составьте схему и рассчитайте ЭДС этого элемента.

96

Ответ: 0,079 В.

Электролиз

Окислительно-восстановительные реакции, протекающие на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита, называется электролизом.

Пример 1. Какие процессы протекают на электродах при электролизе растворов солей:

а) с нерастворимыми (инертными) электродами; б) с растворимым анодом.

Написать процессы на электродах при электролизе раствора NiSO4 с нерастворимыми (графитовыми) электродами и растворимым анодом (из Ni).

Решение. Особенностью электролиза растворов является наличие в них наряду с ионами электролита молекул воды, которые также участвуют в процессах, протекающих на электродах. Необходимо руководствоваться следующими правилами:

1. На аноде из анионов электролитов в первую очередь окисля-

ются анионы бескислородных кислот (Cl-, Br-, S2-, CN-, и т.д., кроме

F-).

2.Анионы кислородсодержащих кислот ( и т.д., а также ) не окисляются – вместо них окисляются молекулы воды.

3.Катионы активных металлов (Li…Al) на катоде не восстанавливаются – вместо них восстанавливаются молекулы воды.

Например, электролиз раствора NaNO3 протекает по схеме:

4.Катионы металлов средней активности (Mn…Pb) восстанавливаются одновременно с молекулами воды.

Например, электролиз раствора Zn(NO3)2:

5.Катионы неактивных металлов, имеющих положительные значения электродных потенциалов (Cu…Au) восстанавливаются в первую очередь.

Например, раствор CuCl2:

97

При электролизе с растворимым анодом металл анода «отдает» электроны во внешнюю цепь источнику постоянного тока, а сам в виде катионов переходит в раствор; эти катионы принимают участие в проводимости второго рода, как составная часть внутренней цепи.

Например, электролиз раствора CuSO4 с медным анодом протекает по схеме:

Электролиз растворов с растворимым анодом широко используется в технике (гальваностегия, рафинирование металлов, гальванопластика и др.)

Электролиз раствора NiSO4: а) с нерастворимым анодом:

б) с растворимым анодом:

Пример 2. Какая масса меди выделится на катоде при электролизе раствора в течение 1ч при силе тока 4А?

Решение. Согласно законам Фарадея

Примечание. Если на электродах выделяются газообразные вещества, то объем выделившегося газа рассчитывается по формуле:

где m – масса вещества, окисленного или восстановленного на электроде, г;

mэ – эквивалентная масса этого вещества, г/моль; I – сила тока, А;

98

t – продолжительность электролиза, с; 96500 A∙c – число Фарадея (или 28,8 A∙ч); V0 – объём выделившегося газа, л;

Vэ – эквивалентный объем газа.

Эквивалентная масса меди в равна 63,54:2 =31,77г/моль.

Подставив в формулу (1) значения: mэ=31,77; I=4 A; t=60∙60= 3600с,

получим:

Пример 3. Вычислите эквивалентную массу металла, зная, что при электролизе раствора хлорида этого металла затрачено 3380Кл электричества и на катоде выделяется 11,742 г металла.

Решение. Из формулы (1)

где m= 11,742 г; I·t=Q=3880 Кл.

Пример 4. Чему равна сила тока при электролизе раствора, если в течение 1ч 40мин 25с на катоде выделилось 1,4 л водорода (н.у.)?

Решение. Из формулы (1)

.

Так как дан объем водорода, то отношение заменяем отношением:

,

где – объем водорода, л;

– эквивалентный объем водорода, л. Тогда

99

Пример 5. При электролитическом осаждении всей меди из 500 мл раствора сульфата меди на аноде выделилось 2,24 л (н.у.) кислорода. Определить молярную концентрацию исходного раствора.

Решение. На основании второго закона Фарадея определим массу выделившейся меди:

Масса выделившегося кислорода равна:

Следовательно, концентрация исходного раствора была .

Примечание: тот же результат можно получить, если вести расчет по формуле:

где – эквивалентный объём кислорода (5,6л).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

403.Электролиз раствора проводили при силе тока 5 А в течение 3 ч. Составьте электронные уравнения процессов, происходя-

100