Контролирующие задания 1. Расположите металлы железо, медь, марганец, магний, серебро в ряд по увеличению окислительных свойств их катионов. 2. Среди металлов свинец, золото, кадмий, кальций, медь укажите: а) взаимодействующие с соляной и разбавленной серной кислотами; б) вытесняющие никель из растворов его солей.
3. Вычислите значение электродного потенциала цинка, если цинк находится в растворе своей соли с концентрацией катионов 0,01 М, а температура раствора равна 15 °С. 4. Вычислите значение электродного потенциала меди, если электрод находится в растворе соли меди (II) с концентрацией катионов 0,1 М, температура раствора равна 10 °С.
5. Напишите электрохимическую схему гальванического элемента, составленного из медного и марганцевого электродов с растворами солей меди (II) и марганца (II). Вычислите ЭДС элемента при стандартных условиях и при концентрации катионов в растворах 0,1М (температура стандартная).
6. Напишите схему двух гальванических элементов, в одном из которых цинк является катодом, а в другом анодом; вычислите их ЭДС. 7. Приведена электрохимическая схема гальванического элемента: (–) Mn Mn(NO 3 ) 2 Ag AgNO 3 (+) Напишите схему катодного и анодного процессов, уравнение токообразующей реакции в молекулярном и ионном виде. Определите ЭДС элемента при стандартных условиях. Работа 17.
Электродвижущая сила (ЭДС)
ЭЛЕКТРОЛИЗ Электролизом называется совокупность окислительно-восстано- вительных процессов, происходящих при пропускании постоянного электрического тока через раствор или расплав электролита. Пропускание тока через электролиты осуществляется с помощью электродов: катода, на котором происходит процесс восстановления, и анода, на котором осуществляется процесс окисления. При электролизе растворов солей закономерности восстановления на катоде следующие. 1. Катионы металлов, расположенных в ряду напряжений правее железа (от кадмия до золота), восстанавливаются согласно уравнению: Ме n+ + nе = Me
2. Катионы активных металлов, расположенных в левой части ряда напряжений (от лития до алюминия), не восстанавливаются. В этом случае на катоде происходит восстановление воды: 2Н 2 О + 2е = Н 2 ↑ + 2ОН — 3. Катионы металлов, расположенных в средней части ряда напряжений (марганец, цинк, хром, железо и др.), восстанавливаются на катоде вместе с восстановлением воды, т.е. параллельно идут два процесса, уравнения которых приведены выше.
Закономерности окисления на аноде следующие. 1. Простые анионы (Сl — , Br — , I — , S 2- ), кроме F — -ионов, окисляются с образованием соответствующих простых веществ, например: 2Cl — – 2е = Сl 2 ↑ 2. Сложные анионы (NO 3 — , SO 4 2- , PO 4 3- и др.) и F — -ионы не окисляются.
В этом случае на аноде происходит окисление воды: 2Н 2 О – 4е = О 2 ↑ + 4Н + Эти закономерности относятся к электролизу с инертным (нерастворимым) электродом: платина, графит, электродная сталь. Но если анод изготовлен из металла, соль которого является электролитом, то в этом случае сам анод окисляется, переходя в раствор в виде катионов Ме – nе = Me n+ , а на катоде происходит восстановление этого же металла Ме n+ + nе = Me Такой электролиз называется электролизом с активным (растворимым) анодом . Экспериментальная часть Целью работы является экспериментальное ознакомление с различными типами электролиза солей. Опыт 1 . Электролиз хлорида никеля (II) с инертными электродами Собрать электролизер, используя графитовые стержни в качестве электродов. Залить в электролизер раствор хлорида никеля (II), включить электроды в сеть постоянного электрического тока и вести электролиз 5–6 мин. Наблюдать выделение металла на одном электроде (как этот электрод называется?) и газа (какого?) – на другом электроде (как он называется?).
Человек с гантелями на скамье Жуковского
В отчете нарисовать схему электролизера, описать опыт и наблюдения. Записать уравнения катодного и анодного процессов и общее уравнение электролиза хлорида никеля (II). Опыт 2 . Электролиз хлорида натрия с инертными электродами Очистить электроды после первого опыта наждачной бумагой и вновь собрать электролизер. Залить в него раствор хлорида натрия и вести электролиз 5–6 мин.
Наблюдать выделение газов (каких?) на обоих электродах. После проведения электролиза установить с помощью индикатора среду раствора. В отчете описать наблюдения и результаты электролиза. Записать уравнения катодного и анодного процессов, образования щелочи в растворе и общее уравнение электролиза раствора хлорида натрия.
Опыт 3 . Электролиз сульфата натрия с инертными электродами Собрать электролизер так, как это было сделано в первом опыте, и наполнить его раствором сульфата натрия. Вести электролиз 5–6 мин, наблюдать выделение газов (каких?) на обоих электродах. В конце опыта отобрать пипеткой пробы раствора из катодной и анодной части электролизера и установить среду растворов.
В отчёте описать опыт и наблюдения, написать схемы процессов на электродах, «вторичных» процессов и общее уравнение реакции электролиза. Опыт 4 . Электролиз сульфата меди (II) с инертными электродами Собрать электролизер так, как это было сделано в первом опыте, наполнить его раствором CuSO 4 и вести электролиз 5–6 мин.
Наблюдать выделение металла (какого?) на катоде и газа (какого?) на аноде. В отчёте описать опыт и наблюдения, привести схемы электродных процессов и уравнения реакций. Опыт 5 . Электролиз сульфата меди (II) с активным анодом Ничего не меняя в электролизере после четвёртого опыта, повернуть вилку электропитания на 180 ° и включить ее в сеть постоянного тока. В этом случае электрод, бывший катодом в четвертом опыте (покрытый слоем меди), становится анодом. Провести электролиз 5–6 мин, описать наблюдения, записать уравнения анодного и катодного процессов.
Источник: studfile.net
Вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором при 298 К установилось равновесие: Mg + Cd2+ ↔ Mg2+ + Cd, если активность ионов магния a моль л Mg 2 0,01 / , а ионов кадмия a моль л Cd2 0,1 / . Напишите уравнения электродных процессов.
⚡ Условие + 37% решения:
Вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором при 298 К установилось равновесие: Mg + Cd2+ ↔ Mg2+ + Cd, если активность ионов магния a моль л Mg 2 0,01 / , а ионов кадмия a моль л Cd2 0,1 / . Напишите уравнения электродных процессов.
Решение: Магниевый электрод является анодом, так его стандартный электродный потенциал ( B Mg Mg 2,36 / 2 ) меньше, чем подобный потенциал кадмия ( B Cd Cd 0,40 / 2 ). Ионно-электронные уравнения электродных процессов: 2 A: Mg 2e Mg
Готовые задачи по химии которые сегодня купили:
- Укажите, в каком из растворов двух солей равной концентрации pH больше: а) CH3COONa и HCOONa; б) Nа2CO3 и Na2SO3 ; в) HCOONa и HCOONH4 .
- Составьте уравнение окислительно-восстановительной реакции методом электронного баланса.
- Объясните различие между внутри- и внешнеорбитальными комплексными соединениями.
- Сколько граммов ортофосфата натрия надо прибавить к 250 л воды, чтобы устранить её карбонатную жесткость, равную 2,5 ммоль/л ?
- Дайте заключение о качестве субстанции бромкамфоры по количественному определению с учетом требований ФС.2.1.0073.18 (должно быть не менее 99,0 % и не более 101,0 %), если на титрование раствора, полученного после восстановительной минерализации навески 2,0048 г израсходовалось 8,75 мл 0,1 М раствора серебра нитрата с K = 0,9996.
- На стальную металлоконструкцию нанесена медь и кадмий.
- Какая из предложенных солей CuSO4, Na2S гидролизуется по аниону. Напишите молекулярное и ионно-молекулярное уравнение всех возможных ступеней гидролиза этой соли. Докажите, что при обычных условиях протеекает только первая ступень гидролиза. Каков рН раствора этой соли?
- Составьте схемы электролиза водного раствора заданного вещества (по номеру варианта) а) с инертным анодом; б) с использованием активного анода. 9.11. фторид натрия
- Вычислить осмотическое давление 0,25 М раствора сахара при температуре 38ºС.
- В 0,1 н. растворе степень диссоциации уксусной кислоты равна 1,32·10-10.
Образовательный сайт для студентов и школьников
Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.
Источник: lfirmal.com
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ЭДС
При изучении этого раздела рекомендуется проработать следующие вопросы: понятие об электродных потенциалах; гальванические элементы (ГЭ); электродвижущая сила гальванического элемента (ЭДС) и ее измерение; стандартный водородный электрод и водородная шкала потенциалов; уравнение Нернста; потенциалы металлических, газовых и окислительно-восстановительных электродов; кинетика электродных процессов; электрохимическая и концентрационная поляризация [1, 10].
Гальванический элемент – электрохимическая система, состоящая из электродов, погруженных в раствор электролитов и соединенных между собой металлическим проводником, образующим внешнюю цепь элемента.
В основе работы гальванического элемента лежат процессы, происходящие на границе металлический электрод – электролит, в результате которых образуется двойной электрический слой. За счет двойного электрического слоя возникает скачок потенциала, называемого электродным. Величина электродного потенциала металла является количественной характеристикой его активности. Для того, чтобы можно было сравнивать активность различных металлов вводится понятие стандартного электродного потенциала j о . Чем более отрицательное значение имеет потенциал металла, тем более сильными восстановительными способностями обладает этот металл. И наоборот, чем более положителен потенциал металлического электрода, тем более сильными окислительными способностями обладают ионы.
Величина потенциала металлического электрода зависит от температуры, активности ионов и рассчитывается по уравнению Нернста
где – стандартный электродный потенциал, измеренный относительно водородного электрода при стандартных условиях (Т = 298 K; = 1 моль/л, Р = 1 атм) (табл. 9 приложения);
R – универсальная газовая постоянная;
Т – абсолютная температура, K;
n – число электронов, участвующих в процессе;
F – постоянная Фарадея, равная 96 548 Кл/моль;
– активность ионов металла в растворе, моль/л.
После подстановки значений постоянных и перевода натурального логарифма в десятичный формула Нернста приобретает вид:
Потенциалы водородного и кислородного электродов, являющиеся газовыми электродами, зависят от рН раствора и парциального давления. Потенциалы этих электродов приведены в табл. 10.
Пример 1. Вычислите электродный потенциал водородного электрода в нейтральной среде при = 1 атм.
Решение. Электродный потенциал водородного электрода определяется по уравнению Нернста, исходя из схемы электродного процесса:
Активность ионов водорода в нейтральной среде а = 10 –7 и = 0,
Полученное значение сравните с табличным (табл. 10 приложения).
Пример 2. Серебряный электрод опущен в раствор нитрата серебра AgNO3 с активностью ионов = 1·10 –2 моль/л. Вычислите электродный потенциал.
Решение. Электродный процесс:
Электродный потенциал серебра рассчитывается по уравнению Нернста:
= 0,8 + 0,059× lg10 –2 = 0,682 B.
Пример 3. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из железного и медного электродов, опущенных в растворы собственных солей. Напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС этого ГЭ, если активности ионов в соответствующих растворах следующие: = 1 · 10 –2 моль/л, а = 1,0 моль/л.
Решение. Ионно-электронные уравнения электродных процессов:
Железный электрод является анодом, так как его стандартный электродный потенциал ( = – 0,44 В) меньше, чем стандартный потенциал медного электрода ( = + 0,34 В) (табл. 9 приложения).
Схема данного в условии гальванического элемента имеет вид:
(–) Fe | Fe 2+ || Cu 2+ | Сu (+)
Определяем ЭДС элемента:
Электродный потенциал анода определяем по уравнению Нернста, а потенциал катода является стандартной величиной:
ЭДС = 0,34 – (– 0,499) = 0,839 В.
Пример 4. Схема гальванического элемента имеет вид:
(–) Zn |ZnCl2 || ZnCl2 |Zn (+). Рассчитайте ЭДС этого элемента, если в одном полуэлементе активность ионов цинка 0,001 моль/л, а в другом – 0,01 моль/л. Напишите уравнения анодного и катодного процессов.
Решение. В условии задачи дан концентрационный гальванический элемент. В таком элементе катодом будет цинк, опущенный в раствор соли с более высокой активностью ионов Zn 2+ = 0,01 моль/л.
Уравнение электродных процессов:
Определяем ЭДС элемента:
Электродные потенциалы находим по уравнению Нернста:
ЭДС = – 0,819 – (– 0,848) = 0,029 В.
Пример 5. Для гальванического элемента:
напишите уравнения электродных процессов и рассчитайте реальную ЭДС с учетом перенапряжения выделения водорода, если активность ионов марганца 1 · 10 –2 моль/л, а ионов водорода 1,0 моль/л (при = 1 атм).
Решение. Уравнения электродных процессов:
K: 2H + + 2 ® H2 (в кислой среде на катоде идет процесс водородной деполяризации)
При работе гальванического элемента ЭДС и ток уменьшаются. Это связано с изменениями электродных потенциалов анода и катода. Изменение электродных потенциалов, приводящее к уменьшению ЭДС и силы тока, называется поляризацией.
Различают три вида поляризации: газовую, концентрационную и электрохимическую. Разность между равновесным потенциалом электрода и его потенциалом в том же растворе при прохождении электрического тока, называется перенапряжением (табл. 11 приложения).
В условиях данной задачи перенапряжение выделения водорода на катоде = 0,30 В (табл. 11 приложения), а электродный потенциал водородного электрода в кислой среде при давлении водорода 1 атм принят равным нулю: = 0. Потенциал катода с учетом перенапряжения определяется:
Электродный потенциал анода определяем по формуле . Так как перенапряжение металла на металле условно принято равным нулю, то .
ЭДС = – 0,30 – (–1,239) = 0,939 В.
Пример 6. Вычислите величину потенциала окислительно-восстановитель-ного электрода Pt | Sn 4+ , Sn 2+ . Реакция восстановления Sn 4+ + 2 ® Sn 2+ протекает в растворе с активностями ионов = 0,1моль/л, = 0,001 моль/л. .
Решение. Потенциал окислительно-восстановительного электрода определяется по уравнению:
Пример 7. Железный электрод в растворе своей соли имеет электродный потенциал . Вычислите активность ионов в растворе, моль/л.
Решение. Определяем активность ионов железа, используя уравнение Нернста:
так как = – 0,44 В (табл. 9 приложения), а n = 2, то
Пример 8. Вычислите стандартную ЭДС гальванического элемента, в котором установилось равновесие:
Zn + 2Ag + « Zn 2+ + 2Ag ,
если = – 146,5 кДж/моль, а = 77,2 кДж/моль.
Решение. Стандартная ЭДС гальванического элемента определяется по уравнению:
где nF – количество электричества, которое теоретически можно получить при электрохимическом превращении одного моля вещества;
F – постоянная Фарадея (F = 96,548 кДж/В · моль), или F » 96 500 Кл/моль,
n – количество электронов, участвующих в процессе, для нашего ГЭ n = 2;
– стандартная энергия Гиббса данной реакции равна:
Так как стандартные энергии Гиббса образования простых веществ цинка и серебра равны нулю, то подставляя числовые значения величин, находим:
= – 146,5 – 2 · 77,2 = – 300,9 кДж.
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
201. Составьте схему, напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС цинко-магниевого гальванического элемента, в котором активность ионов цинка = 1·10 –1 моль/л, а ионов магния = 1,0 моль/л.
202. Для гальванического элемента (–) Cr | Cr 3+ || 2H + | H2, Fe (+)
напишите уравнения электродных процессов и рассчитайте реальную ЭДС с учетом перенапряжения выделения водорода, если активность ионов хрома = 1·10 –2 моль/л, а ионов водорода = 1,0 моль/л (при = 1 атм).
203. Алюминиевая и медная пластины соединены внешним проводником и опущены в раствор серной кислоты. Составьте схему гальванического элемента и напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов, протекающих на аноде и на катоде.
204. Вычислите электродный потенциал водородного электрода в кислой среде при при = 2 атм и [ H + ] = 1 моль/л.
Ответ: – 9× 10 –3 В.
205. Составьте схему, напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС железно-ртутного гальванического элемента, в котором активность ионов железа = 1·10 –3 моль/л, а ионов ртути = 1·10 –2 моль/л.
206. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит химическая реакция, протекающая по уравнению:
Напишите ионно-электронное уравнение электродных процессов и вычислите ЭДС этого элемента, если активность ионов магния = 0,01 моль/л, а ионов серебра = 0,001 моль/л.
207. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит химическая реакция, протекающая по уравнению:
Напишите ионно-электронное уравнение электродных процессов и вычислите ЭДС этого элемента, если активность ионов цинка = 0,001 моль/л, а ионов свинца = 0,01 моль/л.
208. Вычислите величину потенциала окислительно-восстановительного электрода Pt | Fe 3+ , Fe 2+ если = + 0,77 В, а активности ионов железа в растворе соответственно равны = 0,001 моль/л и = 0,1 моль/л.
209. Алюминиевый электрод в растворе соли имеет электродный потенциал . Вычислите активность ионов Al 3+ , моль/л.
Ответ: 0,095 моль/л.
210. Какой гальванический элемент называется концентрационным? Составьте схему, напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из двух медных электродов, опущенных в растворы сульфата меди CuSO4 c активностью ионов меди в первом растворе = 0,01 моль/л и с = 0,001 моль/л во втором.
211. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых цинк был бы катодом, а в другом – анодом. Напишите для каждого из этих элементов ионно-электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде.
212. При какой активности ионов Mn 2+ (моль/л) потенциал марганцевого электрода будет на 0,018 В меньше его стандартного электродного потенциала?
Ответ: 0,25 моль/л.
213. Потенциал медного электрода в растворе хлорида меди CuCl2 составил 97% от величины его стандартного электродного потенциала. Чему равна активность ионов , ( моль/л)?
Ответ: 0,46 моль/л.
214. Для гальванического элемента
напишите уравнения электродных процессов и рассчитайте реальную ЭДС с учетом перенапряжения выделения водорода, если активность ионов магния = 1·10 –3 моль/л, а ионов водорода = 1,0 моль/л (при = 1 атм).
215. Вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором при 298 K установилось равновесие: Mg + Cd 2+ « Mg 2+ + Cd, если активность ионов магния = 0,01 моль/л, а ионов кадмия = 0,1 моль/л. Напишите уравнения электродных процессов.
216. Вычислите стандартную ЭДС гальванического элемента, в котором установилось равновесие: Fe + Cu 2+ « Fe 2+ + Cu, если известно, что = + 66,2 кДж/моль, а = – 84,8 кДж/моль.
217. Составьте схему, напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС железо-медного гальванического элемента, в котором активность ионов железа = 1·10 –2 моль/л, а активность ионов меди = 1 моль/л.
218. Вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором при 298 K установилось равновесие: Cd + Cu 2+ « Cd 2+ + Cu, если активность ионов магния = 10 –3 моль/л, а ионов кадмия = 10 –2 моль/л. Напишите уравнения электродных процессов.
219. Вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором при 298 K установилось равновесие: 2Na + H2O(г) + 1/2O2 « 2NaOH (к) ,
если = – 228,76 кДж/моль, а = – 380,46 кДж/моль.
220. Вычислите величину потенциала окислительно-восстановительного электрода Pt | Co 3+ , Co 2+ с активностями ионов кобальта = 1 моль/л и = 0,001 моль/л, если .
Источник: megaobuchalka.ru