ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Электродные потенциалы. Гальванические элементы, аккумуляторы

Предыдущая 1 2 3 4 567 Следующая

Методические указания

Гальваническими элементами называют устройства, в которых энергия химической реакции преобразуется в электрическую.

Основу работы любого гальванического элемента составляют окислительно-восстановительные процессы, причем реакции окисления и восстановления, протекающие на электродах, пространственно разделены. Тот электрод, на котором происходит процесс окисления, называется анодом, восстановления - катодом. Значение электродного потенциала катода (Е_к) для работающего гальванического элемента положительнее, чем у анода (Е_А). Каждый из электродов помещен в свое электродное пространство, содержащее ионный проводник. Движение ионов из одного электродного пространства в другое возможно за счет наличия пор в перегородке или солевого мостика, при этом непосредственного перемешивания ионных проводников не происходит.

Электродвижущая сила (ЭДС) элемента определяется разностью потенциалов катода и анода: ЭДС = Е_К- Е_А.

Значение величины электродного потенциала зависит от ряда факторов и рассчитывается по уравнению Нернста:

где п - число электронов, участвующих в процессе;

Е° - стандартная величина электродного потенциала, т.е. потенциал

электрода при концентрациях окисленных и восстановленных

форм, равных единице;

R - универсальная газовая постоянная (8,31 );

F - число Фарадея (96500 );

Т - абсолютная температура;

[ок.] и [восст.] - произведения концентраций окисленных и

восстановленных форм, соответственно.

Если одна из форм находится в виде газа, то вместо концентрации

используют парциальное давление. Например, на водородном электроде

протекает процесс:

;

тогда .

Концентрации твердых тел и воды (для водных растворов) считают величинами постоянными. Поэтому для полуреакции:

а для полуреакции

При подстановке в уравнение Нернста значений констант оно принимает вид:

а при работе элемента в нормальных условиях (Т = 298 К) преобразуется в выражение:

Тогда для любого металлического электрода, опущенного в раствор его

соли, значение потенциала или , где С — концентрация ионов металла, моль/л.

Одними из наиболее простых гальванических элементов являются устройства из двух металлических электродов, помещенных в растворы своих солей. Таким является, например, прибор из пластин никеля в 1 М растворе NiSO₄ и серебра в 0,1 М растворе AgNO₃.

Так как , то серебро является катодом, а никель - анодом.

Электроны при замыкании внешней цепи движутся от никеля к серебру. Схема данного гальванического элемента имеет следующий вид:

А (-) Ni | NiSO₄| | AgNO₃ | Ag (+) K.

Гальванический элемент может работать, если он составлен из одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, но с разной концентрацией (концентрационный гальванический элемент). Для них значение ЭДС можно рассчитать по формуле:

, а схема имеет вид:

А(-)металл | электролит(C₁)||электролит(С₂)|металл (+)К

С₁< С₂.

3.8.2. Контрольные задания:

71. Рассчитайте значения при концентрациях Mg²⁺ равных

1,0; 0,1; 0,001 моль/л. Сделайте вывод об изменении значения электродного потенциала с разбавлением.

72.ЭДС гальванического элемента, составленного из, медного электрода (катод), опущенного в раствор CuSO₄ с концентрацией 0,01 моль/л, и электрода из неизвестного металла, опущенного в раствор с [Ме²⁺]=1моль/л, равна 0,532 В. Какой это металл?

73.Гальванический элемент состоит из металлического цинка, погруженного в 0,1 М раствор Zn(NO₃)₂ и металлического свинца, погруженного в 0,01 М раствор Pb(NO₃)₂. Вычислите ЭДС элемента, составьте его схему.

74.Гальванический элемент состоит из двух серебряных электродов, опущенных в растворы AgNO₃. ЭДС этого элемента равна 0,118В. Концентрация AgNO₃ у одного электрода (катода) равна 0,05 моль/л. Чему равна концентрация AgNO₃ у другого электрода?

75.Вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного двумя никелевыми электродами, находящимися в растворах NiSO₄ с концентрациями 0,01 и 0,0001 моль/л. Как называются элементы такого типа?

76.Составьте схему гальванического элемента, составленного из кобальтовой и железной пластин, опущенных в раствор их сульфатов. Вычислите ЭДС этого элемента, если [CoSO₄]=0,01 моль/л, a [FeSO₄]=0,0001 моль/л.

77.Вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из медной и магниевой пластин, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Cu²⁺]=[Mg²⁺]=0,01 моль/л.

78.При какой концентрации ионов Сu²⁺ значение медного электрода становится равным 0,224 В?

79.Опишите принцип работы и приведите уравнения процессов, протекающих при разрядке и зарядке свинцового кислотного аккумулятора.

80.Опишите принцип работы и приведите уравнения процессов, протекающих, при разрядке и зарядке никелевого щелочного аккумулятора.

Электролиз

Методические указания

Электролизом называется совокупность процессов, протекающих при прохождении постоянного электрического тока через электрохимическую систему, состоящую из электродов и раствора или расплава электролита. При электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую.

Наиболее простым случаем является электролиз расплавов с инертным (нерастворимым анодом). Суть процесса при этом заключается в окислительно-восстановительных превращениях ионов, образующихся при диссоциации электролита.

Пример 1. Электролиз расплава NaCl.

;



2Cl^-- + 2Na^{+ электролиз}à Cl₂ + 2Na 2NaCl ^{электролиз}à Cl₂ + 2Na

Пример 2. Электролиз расплава КОН

КОН = К⁺ + ОН^-
А(+): 4OН^--- 4ё à О₂ + 2Н₂О 1
К (-): К⁺ + е à К__ 4

4ОН^-- + 4К⁺ ^{электролиз} à О₂ + 2Н₂О + 4К

4КОН ^{электролиз} à 0₂ + 2Н₂О + 4К.

При электролизе водных растворов необходимо учитывать в первую очередь возможность протекания процессов окисления и восстановления воды, а также явление перенапряжения (изменение потенциала в ходе электрохимической реакции). Из различных возможных процессов на аноде наиболее вероятен тот, потенциал окисления которого минимален, а на катоде -потенциал восстановления которого максимален.

Пример 3. Электролиз раствора CuSО₄ с угольным (нерастворимым) анодом.

CuSО₄ = Cu²⁺+SO₄^2--.

Можно предположить следующие процессы окисления:

а) 2SO₄ ^2- - 2е = S₂O^2—₈ (E°s₂o₈^-2/2SO₄^2- = 2,01 В);

б) 2Н₂О - 4ё = О₂ + 4Н⁺ (Е⁰О₂/2H₂O = 1,23 В).

Так как Е⁰О₂/2H₂O значительно меньше E°s₂o₈^-2/2SO₄^2- , то на аноде

наиболее вероятен процесс окисления воды.

Теоретически возможные процессы восстановления на катоде:

а) Сu²⁺ + 2ё = Сu⁰ (Е°Cu²⁺ /Cu = 0,34 В);

б) 2Н₂О + 2e = Н₂ + 2ОН^- (Е°2н₂о/н₂ = -0,41 В).

Так как Е°Cu²+/Сu значительно больше Е°н₂о/н₂, то практически на катоде протекает восстановление ионов меди. Таким образом, реально протекающие процессы на электродах имеют вид:

А(+) : 2Н₂О - 4ё à О₂ + 4Н⁺ 1

К (-) : Cu²⁺ + 2ё à Си 2

2Н₂О + 2Сu²⁺ ^{электролиз}à О₂ + 4Н⁺ + 2Сu

С учетом имеющихся в растворе сульфат-ионов перейдем от сокращенного ионного уравнения к полному ионному, а затем к молекулярному:

2Н₂О + 2Cu²⁺ + 2SО^2-- ^{электролиз} àO₂ + 4Н⁺ + 2SO₄^2-- + 2Cu²⁺

2Н₂О + 2CuSО₄ ^{электролиз}à О₂ + 2H₂SО₄ + 2Cu

Итак, на аноде выделяется газообразный кислород, в прианодном пространстве накапливается раствор серной кислоты (вторичный продукт электролиза), а на катоде осаждается медь.

Для качественного предсказания результатов электролиза можно исходить из следующего:

- при электролизе водных растворов бескислородных кислот и их солей (кроме HF и фторидов) у анода разряжаются анионы этих солей;

- при электролизе кислородсодержащих кислот и их солей, HF и фторидов на аноде происходит окисление молекул воды или ионов ОН" с выделением кислорода;

- на катоде будет восстанавливаться металл, если он в ряду напряжений находится от" олова и далее;

- на катоде будет происходить восстановление молекул воды, если металл в ряду напряжений стоит до алюминия включительно;

- если металл находится в средней части ряда напряжений (от А1 до Sn), то возможно как восстановление катиона металла, так и восстановление молекул воды.

Пример 4: Электролиз раствора Pb(N0₃)₂

Pb(NО₃)₂ ó Pb²⁺ + 2NO₃^-;.
Так как N0; является кислородсодержащим анионом, то анодным
процессом является окисление воды. Свинец в ряду напряжений находится за
оловом, значит катодным процессом будет восстановление катиона Рb²⁺

А(+): 2Н₂О - 4ё = О₂ + 4Н⁺ 1
К(+): Рb²⁺ + 2ё = Рb° 2

2Н₂0 + 2Рb²⁺ ~~^{электролиз}~~ àО₂ + 4Н⁺ + 2Рb°

2Н₂0 + 2Рb²⁺ + 4 NO₃^- ~~^{электролиз}~~à О₂ + 4Н⁺ + 4 NO₃^- + 2Рb⁰

2 Н₂0 + 2Pb(NO₃)₂ ^{электролиз}à 0₂ + 4 HN0₃ + 2Рb.

Продукты электролиза - металлический свинец и газообразный кислород. В прианодном пространстве накапливается раствор азотной кислоты.

Пример 5: Электролиз раствора NiCl₂.

NiCl₂ ó Ni²⁺ + 2С1^-

Некислородсодержащийся хлорид-ион окисляется на аноде. Так как никель находится в средней части ряда напряжений, то, в зависимости от условий электролиза, возможно как восстановление ионов Ni²⁺, так и молекул воды. Эти процессы могут протекать и параллельно.

А(+): 2С1^- - 2ё = С1₂

К(-): a) Ni²⁺ + 2e = Ni°

б) 2Н₂O + 2ё = Н₂ + 2OH^-.

В таких случаях суммарное уравнение не составляется.

Однако, не во всех случаях, электродные потенциалы окисления материала анода значительно выше Е⁰О₂/2H₂О , т.е. аноды являются нерастворимыми (из графита, платиновых металлов,- золота, специальных сортов нержавеющей стали). Электролиз с использованием растворимых анодов (медь, цинк, кадмий, никель и др.) является наиболее сложным.

Пример 6:

Электролиз раствора CuS0₄ с медным анодом

А (+): Сu - 2ё = Сu²⁺

К(-): Сu²⁺ + 2ё = Сu°

Сu + Сu²⁺ = Сu²⁺ + Сu°

Масса вещества (т), выделяющаяся на электродах, пропорциональна

количеству электричества, прошедшего через раствор электролита (закон

Фарадея):

М_э.Q

т = ------- ,

где M_э -молярная масса эквивалента вещества, г/моль;

Q - количество электричества, кулон (Q = I(_a) t_c);

F- число Фарадея (96500 Кл/моль).

3.9.2. Контрольные задания:

81.Какая масса металла осаждается на катоде при электролизе раствора сульфата кадмия силой тока 0.9 А в течение 20 минут? Выход по току 100%. Напишите уравнения анодной и катодной реакций, если анод – платина.

82.При электролизе раствора током силой 0.7 А в течение 30 минут на катоде выделилось 1.35 г металла. Вычислить эквивалентную массу этого металла, приняв выход по току 100%. Идентифицируйте этот металл.

83.При электролизе водного раствора хлорида кальция на одном из угольных электродов выделилось 14,2 г хлора. Какой газ и в каком объеме выделился на другом электроде?

84.При электролизе раствора сульфата кобальта с кобальтовым анодом током силой 1.4А в течение 36 минут на катоде выделилось 0.8 г металла. Определите катодный выход по току.

85.Какова молярная концентрация раствора нитрата свинца, если для выделения всего металла из объёма 75 мл этого раствора потребовалось пропустить ток силой 0.8А в течение 24 минут?

86.Вычислите массу металла, выделившего на катоде и объем газа, образовавшегося на аноде при пропускании тока сильной 5 А через раствор нитрата меди (II) в течении 30 минут.

87.При электролизе соли некоторого двухвалентного металла в течение 1,0 часа при силе тока 1,5 А выделилось 1,8 г этого металла. Что это за металл?

88.Через раствор гидроксида калия пропустили ток силой 7А в течение 28 минут. Какие вещества выделяются на платиновых электродах и каков их объём (н.у.)? Выход по току катодного и анодного процессов принять 100%. Приведите уравнения реакций.

89.Какова должна быть сила тока, чтобы при электролизе раствора нитрата ртути в течение 22 минут на катоде выделилось 1.95 г металла при выходе по току 100%? Напишите уравнения реакций.

90.При электролизе раствора нитрата меди на графитовых электродах в течение 45 минут и силе тока 6А выделилось 0.8 литров газа при н.у. Определить выход по току.

Предыдущая 1 2 3 4 567 Следующая