Примеры решения типовых задач по теме «Гальванические элементы»

Задача 1. Укажите катод и анод в гальваническом элементе:

FeCl₃

Pt ZnSO₄ Zn

FeCl₂

Запишите уравнения реакций, протекающих у электродов, составьте уравнение суммарной реакции. Вычислите ЭДС данного элемента, если концентрации потенциалопределяющих ионов равны:

[Fe³⁺]=1моль/л; [Fe²⁺]=0,1 моль/л; [Zn²⁺]=0,1 моль/л.

РЕШЕНИЕ. Запишем стандартные окислительно-восстановительные потенциалы полуэлементов, из которых составлен данный гальванический элемент (см. приложение):

Более отрицательный электрод в гальваническом элементе является анодом, следовательно, цинковый электрод будет анодом, а платиновый электрод (более положительный) – катодом.

На аноде происходит окисление цинка: Zn⁰-2 Zn²⁺.

На катоде в двойном электрическом слое происходит восстановление ионов Fe³⁺ до Fe²⁺: Fe³⁺+ Fe²⁺.

Суммарное уравнение реакции: Zn⁰+2 Fe³⁺= Zn²⁺+ 2Fe²⁺.

Возникающая ЭДС гальванического элемента равна разности потенциалов катода E_k и анода E_A:

ЭДС=E_k-E_A=

Потенциал каждого полуэлемента вычисляется по уравнению Нернста:

,

где R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль·К;

F – число Фарадея, равное 96494 Кл/экв;

n – число электронов, принимающих участие в электродной реакции;

Т – температура, К;

– стандартный окислительно-восстановительный потенциал.

Очевидно, что в случае реакции окисления n = 2, а в случае реакции восстановления n =1. Тогда возникающая ЭДС будет равна

ЭДС= + - =

=+0,77+0,059lg .

Задача 2. В гальваническом элементе протекает реакция

NiSO₄+Mg=Ni+MgSO₄.

Составьте схему гальванического элемента.

РЕШЕНИЕ. Определим атомы, у которых изменяется степень окисления: _{+2 0 0 +2}

NiSO₄+Mg=Ni+MgSO₄.

Выделим две окислительно-восстановительные системы Mg/Mg²⁺, Ni/Ni²⁺ и запишем их стандартные окислительно-восстановительные потенциалы:

E⁰_Mg2+ _/Mg = -2,36B; E⁰_Ni2+ _/Ni = -0,25B

Так как потенциал магния более отрицательный, то этот электрод выполнит роль анода, а никель, соответственно – роль катода. Схема гальванического элемента запишется:

M g MgSO₄ NiSO₄ Ni.

Задача 3. В каком направлении, прямом или обратном, будет протекать взаимодействие, выражающееся уравнением SnCl₄+2FeCl₂=SnCl₂+2FeCl₃?

РЕШЕНИЕ. Определим степени окисления атомов, их изменяющих, выделим две окислительно-восстановительные системы и запишем их стандартные окислительно-восстановительные потенциалы:

_{4+ 2+ 2+ 3+}

SnCl₄ + 2FeCl₂ = SnCl₂ + 2FeCl₃

Сравним значения электродных потенциалов возможных восстановительных процессов данной системы:

Sn⁴⁺+2 =Sn²⁺ E⁰_Sn⁴⁺_/Sn²⁺=+0,15B;

Fe³⁺ + =Fe²⁺ E⁰_Fe³⁺_/Fe²⁺=+0,771B.

Анализ механизма возникновения окислительно-восстановительных потенциалов показывает, что из двух возможных в системе процессов восстановления предпочтительнее будет тот, у которого больше электрод-ный потенциал. Следовательно, в данной реакции предпочтительнее процесс: Fe³⁺ + е =Fe²⁺, то есть роль окислителя выполнит ион Fe³⁺, а роль восстановителя – ион Sn²⁺, поэтому данная окислительно-восстановительная реакция будет протекать в обратном направлении:

SnCl₂+2FeCl₃ SnCl₄+2FeCl₂.

К данному выводу можно также прийти, если учесть, что окислительно-восстановительная реакция протекает в водном растворе самопроизвольно, когда разность стандартных потенциалов окислительно-восстановительных пар, то есть ЭДС реакции, будет положительной величиной. Электродвижущая сила в условии реакции составляет: ЭДС=E⁰₀ – E⁰_B=E⁰ _Sn⁴⁺_/Sn²⁺ – E⁰_Fe³⁺_/Fe²⁺= 0,15 – 0,771= –0,621B<0.

Следовательно, сделанный нами вывод о направленности процесса верен.