ФЗО, ИТиУвТС, ДКР по химии, 21 вариант 2 часть / 85

85. Составьте схему гальванического элемента, в котором самопроизвольно протекает реакция

Zn + CdSO₄ ↔ ZnSO₄ + Cd

Запишите уравнения анодно-катодных процессов и рассчитайте ε, А΄_м, ΔG и К_р, если кадмиевый электрод стандартный, а раствор ZnSO₄ 0,01 М. Какой вид поляризации имеет место при работе данного элемента? Назовите способы ее уменьшения.

Решение:

Данная токообразующая реакция характерна для гальванического элемента типа Даниэля-Якоби.

Стандартные электродные потенциалы металлов:

φ⁰Zn²⁺/Zn = - 0,76 В; φ⁰Cd²⁺/ Cd = - 0,403 В.

Значение цинкового электрода вычислим по уравнению Нернста:

0,059

φ^р Zn²⁺/Zn = φ⁰Zn²⁺/Zn + ∙ lg CZn²⁺.

n

Сульфат цинка - сильный электролит, диссоциирует по уравнению:

ZnSO₄ → Zn²⁺ + SO₄^2- , α = 1.

С Zn²⁺ = С_м ZnSO₄ ∙α∙n = 0,01∙1∙1 = 0,01 моль/л

0,059

φ^р Zn²⁺/Zn = - 0,76 + ∙ lg 0,01 = - 0,819 В.

2

Так как φ^р Zn²⁺/Zn < φ⁰Cd²⁺/ Cd, то в данном гальваническом элементе цинк будет являться анодом (будет окисляться), а кадмий катодом.

Схема гальванического элемента:

Zn / ZnSO₄ // CdSO₄ / Cd или Zn / Zn²⁺ // Cd²⁺ / Cd

0,01 М 1 М 10^-2 1

моль/л моль/л

Уравнения электродных процессов:

А: Zn – 2е = Zn²⁺, φ_а= - 0,819 В;

К: Cd²⁺ + 2е = Cd, φ_к= - 0,403 В.

Суммарное уравнение токообразующей реакции:

Zn + Cd²⁺ = Zn²⁺ + Cd

Величину электродвижущей силы (ЭДС) вычислим по формуле:

ε = φ_к – φ_а = φ⁰Cd²⁺/ Cd - φ^р Zn²⁺/Zn = -0,403 – ( - 0,819) = 0,416 В.

Полезную работу А΄_м, которую совершает гальванический элемент вычислим по формуле:

А΄_м = nF ε,

где nF – количество переносимого электричества, Кл;

F – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл;

n – число электронов – участников данной реакции.

А΄_м = 2∙96500∙0,416 = 80288 Дж = 80,288 кДж.

Изменение стандартной энергии Гиббса реакции вычислим по формуле:

ΔG⁰ = - nF ε

ΔG⁰ = - 80,288 кДж.

Вычислим константу равновесия Кр по формуле:

nF ε n ε

lgКр = =

2,3RT 0,059

2∙0,416

lgКр = = 14,1

0,059

Кр = 10^14,1 = 1,26∙10¹⁴.

Поляризацией называется явление изменения потенциала от своего равновесного значения при протекании тока.

При работе элемента Даниэля-Якоби наблюдается концентрационная поляризация - изменение потенциала электрода по сравнению с исходным равновесным значением, вызванное изменением концентрации потенциалопределяющих ионов. При окислении цинкового электрода в приэлектродном слое накапливаются катионы цинка Zn²⁺ и согласно уравнению Нернста, потенциал этого электрода увеличивается. И, наоборот, у кадмиевого электрода концентрация ионов Cd²⁺ уменьшается вследствие их восстановления, и потенциал медного электрода уменьшается.

Для уменьшения поляризации можно использовать физические методы, например, перемешивание раствора способствует уменьшению концентрационной поляризации, и химические, например, добавлять электролит, который будет связывать ионы цинка (Na₂S).