Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Тема 10. Электродные потенциалы. Гальванические элементы




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 электрическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла. В результате этого в системе устанавливается подвижное равновесие:

Ме + m Н2О <=> Ме (Н2О)mn+ + n ē

в растворе на металле

n – число электронов, участвующих в процессе. На границе металл-жидкость возникает двойной электрический слой, который характеризуется определенным скачком потенциала — электродным потенциалом. Электродные потенциалы зависят от ряда факторов: природы металла, концентрации ионов металла в растворе, температуры и др. Абсолютные значения электродных потенциалов измерить не удается, поэтому обычно определяют относительные электродные потенциалы в определенных условиях, так называемые стандартные электродные потенциалы (E°).

Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией равной 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25°С условно принимается равным нулю.

Зависимость электродного потенциала металла от различных факторов выражается уравнением Нернста

E = E° + (0,059/n) lgC,

где E° — стандантный электродный потенциал;

n — число электронов, принимающих участие в процессе;

С — концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов (E°), получают так называемый ряд напряжений.

Положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его восстановительную способность и окислительную активность его положительного иона.

 

Таблица 1.

Сандартные электродные потенциалы E° некоторых металлов (ряд напряжений)

Электрод E°, В Электрод E°, В
Li+/Li -3,04 Cd2+/Cd -0,40
Rb+/Rb -2,92 Co2+/Co -0,27
K+/K -2,92 Ni2+/Ni -0,25
Cs+/Cs -2,92 Sn2+/Sn -0,134
Ba2+/Ba -2,90 Pb2+/Pb -0,12
Ca2+/Ca -2,87 Fe3+/Fe -0,03
Na+/Na -2,71 2H+/H2 0,00
Al3+/Al -2,32 Sb3+/Sb +0,20
Mg2+/Mg -1,70 Bi3+/Bi +0,21
Ti2+/Ti -1,6 Cu2+/Cu +0,34
Zr4+/Zr -1,58 Cu+/Cu +0,52
Mn2+/Mn -1,18 Hg2+/Hg +0,79
V2+/V -1,18 Ag+/Ag +0,80
Cr2+/Cr -0,92 Hg2+/Hg +0,85
Zn2+/Zn -0,76 Pb2+/Pb +1,19
Cr3+/Cr -0,74 Au3+/Au +1,50
Fe2+/Fe -0,44 Au+/Au +1,70

 

Чем меньше величина стандартного электродного потенциала, тем более активным восстановителем является атом этого металла и тем меньшие окислительные способности проявляют его ионы, и наоборот. Каждый металл, а также водород способен вытеснять все следующие за ним в ряду напряжения металлы из растворов их солей. Все металлы, стоящие до водорода, вытесняют его из разбавленных растворов кислот (исключение составляет азотная кислота любой концентрации). Электродные потенциалы измеряют в приборах, которые получили название гальванических элементов. Гальванические элементы состоят из двух электродов, погруженных в раствор электролитов. Источником электрической энергии в гальванических элементах является окислительн-восстановительная реакция, которая характеризует работу гальванического элемента.Одна из важнейших характеристик гальванического элемента – это разность потенциалов между его электродами. Эта величина называется электродвижущей силой (ЭДС) гальванического элемента.

ЭДС гальванического элемента имеет только положительные значения и равна

ЭДС = Е окислителя – Е восстановителя.

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

Решение: зависимость электродного потенциала металла от концентрации его ионов в растворе выражается уравнением Нернста:

E = E° + (0,059/n) lgC,

Ni= -0,25 В

Со= -0,277 В

Определяем электродные потенциалы этих металлов при данных в условиях заданных концентраций:

Ni2+/Ni = -0,25 + (0,059/2)lg10-3 = – 0,339 В

Со2+/Со = -0,277 + (0,059/2)lg10-1 = – 0,307 В

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

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

Решение: задача решается на основании уравнения Нернста.

E = E° + (0,059/n) lgC,

– 2,41 = –2,37 + (0,059/2) lgС

– 0,04 = 0,0295lgС

lgС = – 1,3559

СMg2+ = 4,4∙10-2 моль/л

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

Решение: схема данного гальванического элемента

(-)Mg‌│Mg2+ ││ Zn2+│Zn (+)

Вертикальная линия означает поверхность раздела между металлом и раствором, а две линии – граница 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:

Мg0 - 2 ē = Mg2+

Цинк, потенциал которого -0,7638, катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Zn2+ + 2 ē = Zn0

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующей работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного и катодного процессов:

Мg + Zn2+ = Mg2+ + Zn

Для 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:

ЭДС = E°Zn2+/Zn - E°Mg2+/Mg = -0,763-(-2,37) = 1,607 В

Контрольные вопросы

181. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал -1,23 В. Вычислите концентрацию ионов Mn2+ (моль/л).

182. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению Ni + Pb(NO3)2 = Ni(NO3)2 + Pb. Напишите уравнение анодного и катодного процессов. Вычислите ЭДС этого элемента, если [Ni2+]= 0,01 моль/л, [Pb2+] = 0,0001 моль/л.

183. В каком случае происходит реакция при внесении цинковой, железной и свинцовой пластинок в пробирки с раствором сульфата олова (II)? Напишите молекулярные и электронные уравнения реакций.

184. 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 электронное и молекулярное уравнение соответствующих реакций.

185. В какой пробирке происходит реакция при внесении оловянных пластинок в растворы сульфата железа (II) и нитрата свинца? Напишите молекулярное и электронное уравнение реакции.

186. Составьте схему, напишите электронное уравнение электродных процессов и вычислите ЭДС медно-кадмиевого гальванического элемента, в котором [Cd2+] = 0,8 моль/л, а [Cu2+] = 0,01 моль/л.

187. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: a) CuSO4 b) MgSO4 c) Pb(NO3)2. Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

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

189. При какой концентрации ионов Cu2+ (моль/л) значение потенциала медного электрода становится равным стандартному потенциалу водородного электрода?

190. Составьте схему, напишите электронное уравнение электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящий из свинцовой и магниевой пластин, опущенных в раствор своих солей с концентрацией [Pb2+] = [Mg2+]= 0,01 моль/л.

191. Составьте схему двух гальванических элементов, в одном из которых никель является катодом, а в другом – анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакции, протекающих на катоде и на аноде.

192. В две пробирки с сине-зеленым раствором сульфата никеля (II) опустили железную и медную проволочки. В какой пробирке цвет раствора постепенно изменится и почему? Напишите молекулярные и электронные уравнения реакции.

193. Какой гальванический элемент называют концентрационным? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, опущеных: первый в 0,01М, а второй 0,1М растворы AgNO3.

194. При какой концентрации ионов Zn2+ (моль/л) потенциал цинкового электрода будет на 0,015 В меньше его стандартного электродного потенциала?

195. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса кадмиевой пластинки при взаимодействии ее с растворами: a) AgNO3 b) ZnSO4 c) NiSO4? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

196. Потенциал серебряного электрода в растворе AgNO3 составил 95% от значения его стандартного электродного потенциала. Чему равна концентрация ионов Ag+ (моль/л)?

197. В какой пробирке происходит реакция при внесении цинковых пластинок в растворы сульфата кальция, сульфата никеля (II), концентрированной и разбавленной серной кислоты? Напишите молекулярное и электронное уравнение реакций.

198. Составьте схему, напишите электронное уравнение электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из пластин кадмия и магния, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Mg2+]= [Cd2+]= 1 моль/л.

199. В две пробирки с синим раствором сульфата меди опустили цинковую и серебряную пластинки. В какой пробирке цвет раствора постепенно изменится и почему? Напишите молекулярное и электронное уравнения реакции.

200. 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 ион железа (моль/л), чтобы ЭДС элемента стала равной нулю, если [Zn2+]= 0,001 моль/л?






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных