Методическое пособие ) Уфа Издательство бгау 2005 (07)



страница10/14
Дата23.04.2016
Размер0.96 Mb.
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14

Электродные потенциалы и электродвижущие силы

При решении задач этого раздела см. таблицу 8. Если металлическую пластинку опустить в воду, то катионы металла на ее поверхности гидратируются полярными молекулами воды и переходят в жидкость. При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, заряжают его поверхностный слой отрицательно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла. В результате этого в системе устанавливается подвижное равновесие:

Ме + m Н2О  Ме(H2O)mn + nē ,

в растворе на металле

где п - число электронов, принимающих участие в процессе.

На границе металл - жидкость возникает двойной электрический слой, характеризующийся определенным скачком потенциала. Абсолютные значения электродных потенциалов измерить не удается. Электродные потенциалы зависят от ряда факторов (природы металла, концентрации, температуры и др.). Поэтому обычно определяют относительные электродные потенциалы в определенных условиях - так называемые стандартные электродные потенциалы (Е0).

Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью), равной 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 250 С условно принимается равным нулю (Е0 = 0; G0 = 0).

Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов (Е0), получаем так называемый ряд напряжений. Положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях. Чем меньше значение Е0, тем большими восстановительными способностями обладает данный металл в виде простого вещества и тем меньше окислительные способности проявляют его ионы, и наоборот. Электродные потенциалы измеряют в приборах, которые получили название гальванических элементов. Окислительно-восстановительная реакция, которая характеризует работу гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС элемента имеет положительное значение. В этом случае G0<0, так как G0 = -n F E0.

Таблица 8 Стандартные электродные потенциалы (Е0) некоторых металлов

(ряд напряжений)



Электрод

Е0, В

Электрод

Е0, В

Li+/Li

-3,045

Cd2+/Cd

-0,403

Rb+/Rb

-2,925

Co2+/Co

-0,277

K+/K

-2,924

Ni2+/Ni

-0,25

Cs+/Cs

-2,923

Sn2+/Sn

-0,136

Ba2+/Ba

-2,90

Pb2+/Pb

-0,127

Ca2+/Ca

-2,87

Fe3+/Fe

-0,037

Na+/Na

-2,714

2H+/H2

-0,000

Mg2+/Mg

-2,37

Sb3+/Sb

+0,20

Al3+/Al

-1,70

Bi3+/Bi

+0,215

Ti2+/Ti

-1,603

Cu2+/Cu

+0,34

Zr4+/Zr

-1,58

Cu+/Cu

+0,52

Mn2+/Mn

-1,18

Hg22+/2Hg

+0,79

V2+/V

-1,18

Ag+/Ag

+0,80

Cr2+/Cr

-0,913

Hg2+/Hg

+0,85

Zn2+/Zn

-0,763

Pt2+/Pt

+1,19

Cr3+/Cr

-0,74

Au3+/Au

+1,50

Fe2+/Fe

-0,44

Au+/Au

+1,70


Пример 1. Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем кобальта (таблица 8). Изменится ли это соотношение, если измерить потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 моль/л, а потенциалы кобальта - в растворе с концентрацией 0,1 моль/л.

Решение. Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

Е = Е0 + lgC ,

где Е0 - стандартный электродный потенциал;

n - число электронов, принимающих участие в процессе;

С - концентрация (при точных вычислениях - активность) гидратированных ионов металла в растворе, моль/л;

Е0 для никеля и кобальта соответственно равны -0,25 и -0,277 В. Определим электродные потенциалы этих металлов при данных в условии концентрациях:

Таким образом, при изменившейся концентрации потенциал кобальта стал больше потенциала никеля.



Пример 2. Магниевую пластинку опустили в раствор его соли. При этом электродный потенциал магния оказался равен -2,41 В. Вычислите концентрацию ионов магния (в моль/л).

Решение. Подобные задачи решаются также на основании уравнения Нернста (см. пример 1):

2,41 = - 2,37 + lgC

- 0,04 = 0,0295 lg C,

lgC = - = -1,3559

С Mg2+ = 4,410 –2 моль/л.

Пример 3. Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной концентрацией 1 моль/л. Какой металл является анодом, какой катодом? Напишите уравнения окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его ЭДС.
Решение. Схема данного гальванического элемента:

(-) Mg | Mg2+ || Zn2+ | Zn (+)

Вертикальная линейка обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две линейки - границу раздела двух жидких фаз - пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (-2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Mg 0 -2ē = Mg 2+ (1)

Цинк, потенциал которого -0,763 В, - катод, т. е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Zn 2+ + 2 ē = Zn 0 (2)

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:

Mg 0 + Zn 2+ = Mg 2+ + Zn 0

Д
ля 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:

9.1 Контрольные вопросы

161. В два сосуда с голубым раствором медного купороса поместили в первый цинковую пластинку, а во второй - серебряную. В каком сосуде цвет раствора постепенно пропадет? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующей реакции.

162. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: а) СuSO4; б) МgSO4; в) Рb(NО3)2? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

163. При какой концентрации Zn 2+ (в моль/л) потенциал цинкового электрода будет на 0,015 В меньше его стандартного электродного потенциала?

Ответ: 0,30 моль/л.

164. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса кадмиевой пластинки при взаимодействии ее с растворами: а) АgNО3; б) ZnSO4; в) NiSO4? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

165. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал -1,23 В. Вычислите концентрацию ионов Мn 2+ (в моль/л). Ответ: 1,8910 -2 моль/л.

166. Потенциал серебряного электрода в растворе AgNO3 составил 95% от значения его стандартного электродного потенциала. Чему равна концентрация ионов Аg+ (в моль/л)? Ответ: 0,20 моль/л.

167. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС медно-кадмиевого гальванического элемента, в котором [Сd2+] = 0,8 моль/л, а [Сu2+] = 0,01 моль/л. Ответ: 0,68 B.

168. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых медь была бы катодом, в другом - анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде.

169. При какой концентрации ионов Сu2+ (моль/л) значение потенциала медного электрода становится равным стандартному потенциалу водородного электрода? Ответ: 1,8910 -12 моль/л.

170. 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 АgNO3.

Ответ: 0,059 В.

171. При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды 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 0,01 М растворе сульфата никеля.

Ответ: 0,0295 В.

172. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластин, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Рb2+] = [Мg2+] = 0,01 моль/л. Изменится ли ЭДС этого элемента, если концентрацию каждого из ионов увеличить в одинаковое число раз? Ответ: 2,244 В.

173. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является катодом, а в другом - анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на аноде.

174. Железная и серебряная пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор серной кислоты. Составьте схему данного гальванического элемента и напишите электронные уравнения процессов, происходящих на аноде и на катоде.

175. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из пластин кадмия и магния, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Мg2+] = [Cd2+] = 1 моль/л. Изменится ли значение ЭДС, если кон­центрацию каждого из ионов понизить до 0,01 моль/л? Ответ: 1,967 В.

176. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин цинка и железа, погруженных в растворы их солей. Напишите электронные уравнения процессов, протекающих на аноде и на катоде. Какой концентрации надо было бы взять ионы железа (моль/л), чтобы ЭДС элемента стала равной нулю, если [Zn2+] = 0,001 моль/л? Ответ: 7,310 -15 моль/л.

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

Ni + Pb(NO3)2 = Ni(NO3)2 + Pb

Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов. Вычислите ЭДС этого элемента, если [Ni2+] = 0,01 моль/л, а [Рb2+] = 0,0001 моль/л. Ответ: 0,064 В.

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

179. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке кадмий-никелевого аккумулятора?

180. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке железо-никелевого аккумулятора?



1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница