- •І. Програма курсу
- •Тема 1. Основні поняття хімії
- •Тема 2. Будова атомів. Періодичний закон і періодична система д.І. Менделєєва
- •Тема 3. Хімічний зв’язок і будова молекул. Твердий стан речовин
- •Тема 4. Елементи хімічної термодинаміки
- •Тема 5. Хімічна кінетика та хімічна рівновага
- •Тема 6. Загальні властивості розчинів. Розчини електролітів
- •Тема 7. Окисно-відновні реакції
- •Тема 8. Електрохімічні процеси
- •Тема 9. Хімічні властивості металів
- •Іі. Контрольні задачі Загальні вказівки
- •1. Основні поняття хімії Короткі теоретичні відомості
- •2. Будова атомів. Періодичний закон та періодична система хімічних елементів д.І. Менделєєва Короткі теоретичні відомості
- •3. Хімічний зв’язок і будова молекул Короткі теоретичні відомості
- •4. Елементи хімічної термодинаміки Короткі теоретичні відомості
- •5. Хімічна кінетика та хімічна рівновага Короткі теоретичні відомості
- •6. Розчини. Способи вираження концентрацій. Фізичні властивості розведених розчинів неелектролітів Короткі теоретичні відомості
- •7. Розчини електролітів. Електролітична дисоціація сильних і слабких електролітів. Закон роЗбавляння. Водневий показник Короткі теоретичні відомості
- •8. Реакції обміну в розчинах електролітів. Іонно-молекулярні рівняння хімічних реакцій Короткі теоретичні відомості
- •9. Окисно-відновні реакції. Хімічні властивості металів Короткі теоретичні відомості
- •10. Електрохімічні процеси. Гальванічні елементи Короткі теоретичні відомості
- •11. Електрохімічна корозія металів і сплавів Короткі теоретичні відомості
- •12. Електроліз Короткі теоретичні відомості
- •Кількісні розрахунки електролізу треба виконувати згідно з законом Фарадея:
- •Ііі. Лабораторні роботи Лабораторна робота №1 Класи неорганічних сполук
- •Ознакою перебігу хімічної реакції є утворення або розчинення осаду.
- •Лабораторна робота №2 Теплові ефекти процесів
- •Порядок виконання роботи
- •Обробка результатів
- •Лабораторна робота №3 Хімічна кінетика
- •Лабораторна робота №4 Розчини електролітів
- •1. Одержання та дослідження особливостей слабких електролітів
- •2. Визначення рН контрольного розчину електроліту
- •Лабораторна робота №5 Електрохімічні процеси
- •1. Мідно-цинковий гальванічний елемент
- •2. Контактна корозія
- •3. Електроліз
- •Лабораторна робота №6 Окисно-відновні реакції
- •1. Окисні властивості сульфатної кислоти.
- •2. Окисні властивості іонів металу.
- •3. Окисно-відновна двоїстість пероксиду гідрогену
- •IV. Додатки
- •Список рекомендованої літератури
10. Електрохімічні процеси. Гальванічні елементи Короткі теоретичні відомості
Електрохімічними називають хімічні процеси, які відбуваються за рахунок підведеної ззовні електричної енергії, або, навпаки, самі є джерелом її утворення.
Вихідним поняттям у електрохімії є поняття про електродний потенціал (), який вимірюють у вольтах. кількісна величина, що характеризує здатність окисно-відновної системи до окиснення та відновлення. Чим менше її значення, тим легше окислюється відновлена форма системи (Red); чим воно більше, тим легше проходить процес відновлення окисленої форми (Ox).
Рівняння Нернста характеризує залежність від природи окисно-відновної системи, концентрації потенціалутворюючих іонів і температури. Для стандартних умов рівняння Нернста має вигляд:
Ox/Red = 0Ox/Red + ,
де 0Ox/Red стандартний електродний потенціал системи,
z число електронів у електродній реакції,
[Ox], [Red] – концентрації окисленої та відновленої форм системи відповідно.
Для металічних електродів рівняння Нернста спрощується до:
= 0 + [Mez+],
а для водневого електрода:
= 0,059lg[H+] = 0,059pH.
Гальванічний елемент – це технічний пристрій, в якому енергія окисно-відновної реакції безпосередньо перетворюється на електричну за рахунок розділення у просторі процесів окиснення (анод) і відновлення (катод). Необхідно пам’ятати, що >. Електрорушійна сила гальванічного елемента (ЕРС, або просто Е) розраховується як різниця потенціалів:
ЕРС = .
Приклад. Складіть схему гальванічного елемента, утвореного пластинками з цинку та заліза, зануреними у розчини солей цих металів з концентраціями відповідно 0,01 і 0,1 моль/л. Запишіть рівняння електродних реакцій та сумарної струмоутворюючої реакції. Розрахуйте ЕРС гальванічного елемента.
Розв’язання. Для визначення анода та катода у більшості випадків достатньо скористатись значеннями стандартних електродних потенціалів (див. додаток, табл.4):
= 0,76 B < = 0,44 B, тому анодом є цинк.
Рівняння анодного процесу:
А(): Zn0 2e = Zn2+.
Анод негативно заряджений відносно зовнішнього електричного кола.
Рівняння катодного процесу:
К(+): Fe2+ + 2e = Fe0.
Катод позитивно заряджений відносно зовнішнього електричного кола.
Якщо скласти два рівняння, одержимо рівняння сумарної струмоутворюючої реакції в іонно-молекулярному вигляді:
Zn2+ + Fe0 = Zn0 + Fe2+,
або у молекулярному вигляді:
ZnSO4 + Fe = Zn + FeSO4.
Схема гальванічного елемента записується так:
Zn0 | Zn2+ || Fe2+ |Fe0.
Вертикальною рискою позначено межу між електродом та електролітом, двома рисками – межу поділу між електролітами (пориста перегородка).
Розраховуємо значення потенціалів анода та катода згідно з рівнянням Нернста:
= 0,76 + = 0,76 + 0,82 В,
= 0,44 + 0,47 В.
Тоді
ЕРС = = 0,47 ( 0,82) = 0,35 В.
Задачі
-
Складіть схеми двох гальванічних елементів, в одному з яких нікель негативно заряджений відносно зовнішнього кола, а в іншому – позитивно. Запишіть рівняння електродних процесів і сумарних струмоутворюючих реакцій. Розрахуйте значення стандартних електрорушійних сил цих елементів.
Як залежить величина потенціалу водневого електрода від рН розчину, в який його занурено? Складіть схему гальванічного елемента, утвореного водневим електродом з певним значенням рН і електродом, виконаним з якогось металу, зануреного в розчин солі цього ж металу з указаною концентрацією. Запишіть рівняння електродних процесів, сумарної струмоутворюючої хімічної реакції. Розрахуйте величину електрорушійної сили цього гальванічного елемента.
-
рН = 4, магній, [Mg2+] = 0,1 моль/л.
-
рН = 6, залізо, [Fe2+] = 0,01 моль/л.
-
рН = 7, мідь, [Cu2+] = 1 моль/л.
-
рН = 10, алюміній, [Al3+] = 0,001 моль/л.
-
ЕРС гальванічного елемента, утвореного з алюмінієвої пластинки, зануреної у розчин солі алюмінію з концентрацією 0,003 моль/л, і платинової пластинки, насиченої воднем і зануреної в розчин хлоридної кислоти, дорівнює 1,48 В. Складіть схему гальванічного елемента, запишіть рівняння електродних процесів та сумарної струмоутворюючої хімічної реакції. Визначте концентрацію хлоридної кислоти в розчині.
-
Гальванічний елемент утворено з заліза, зануреного у розчин його солі з концентрацією іонів Fe2+, що дорівнює 0,001 моль/л, і з міді, зануреної у розчин її солі. Якої концентрації повинен бути розчин солі міді, щоб ЕРС кола дорівнювала нулю? Складіть схему гальванічного елемента, запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції.
-
Складіть схему гальванічного елемента, утвореного з заліза та свинцю, зануреними у розчини їх солей з концентраціями, що дорівнюють 0,05 моль/л кожна. Запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції та розрахуйте ЕРС елемента.
-
ЕРС гальванічного елемента, утвореного з нікелю, зануреного у розчин його солі з концентрацією іонів Ni2+, що дорівнює 1104 моль/л, і зі срібла, зануреного у розчин його солі, дорівнює 1,108 В. Визначте концентрацію іонів Ag+ у розчині його солі. Складіть схему гальванічного елемента, запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції.
Складіть схему гальванічного елемента, в основі якого лежить реакція, що перебігає за наведеним рівнянням. Напишіть електродні рівняння анодного та катодного процесів. Розрахуйте ЕРС цього елемента, знаючи концентрації солей металів.
-
Ni + Pb(NO3)2 = Ni(NO3)2 + Pb;
[Ni2+] = 0,01 моль/л, [Pb2+] = 0,0001 моль/л.
-
Mg + FeSO4 = MgSO4 + Fe;
[Mg2+] = 0,1 моль/л, [Fe2+] = 0,1 моль/л.
-
Fe + 2AgNO3 = Fe(NO3)2 + 2Ag;
[Fe2+] = 0,01 моль/л, [Ag+] = 0,1 моль/л.
-
2Al + 3Ni2+ = 2Al3+ + 3Ni;
[Al3+] = 0,001 моль/л, [Ni2+] = 0,01 моль/л.
-
Cu + Hg2+ = Cu2+ + Hg;
[Cu2+] = 0,1 моль/л, [Hg2+] = 1 моль/л.
-
Zn + Cd2+ = Zn2+ + Cd;
[Zn2+] = 0,01 моль/л, [Cd2+] = 1 моль/л.
З чотирьох наведених нижче металів виберіть ті пари, які дають найбільшу та найменшу стандартну ЕРС складеного з них гальванічного елемента. Для будь-якого з них складіть схему, запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції. Розрахуйте ЕРС цього гальванічного елемента, якщо концентрації солей металів для анода і катода дорівнюють 0,01 і 0,1 моль/л відповідно.
-
Ag, Cu, Al i Sn.
-
Mg, Zn, Ni i Hg.
-
Co, Fe, Ca i Zn.
-
Cd, Cr, Be i Sn.
-
ЕРС гальванічного елемента, утвореного з магнію, зануреного у розчин його солі з концентрацією іонів Mg2+, що дорівнює 1,8105 моль/л, і з цинку, зануреного у розчин його солі, дорівнює 1,700 В. Визначте концентрацію іонів Zn2+ у розчині його солі. Складіть схему гальванічного елемента, запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції.
Складіть схеми двох гальванічних елементів, в одному з яких наведений нижче метал був би анодом, а в іншому – катодом. Для кожного гальванічного елемента запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції, розрахуйте стандартну ЕРС.
-
Zn.
-
Fe.
-
Sn.
-
Cu.
-
Який гальванічний елемент називають концентраційним? Складіть схему, напишіть рівняння електродних процесів і розрахуйте ЕРС гальванічного елемента, що утворений із срібних електродів, занурених у розчини AgNO3 з концентраціями 0,01 і 0,1 моль/л.