Гальванический элемент состоит из серебряного электрода, погруженного в 1 М раствор AgNO 3, и стандартного водородного электрода. Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции, происходящей при работе элемента. Чему равна его э.д.с.?
Лучший ответ по мнению автора
Инна Викторовна
Общаться в чате
Так как в гальваническом элементе анодом становится электрод, обладающий меньшим значением электродного потенциала, а катодом – электрод с большим значением электродного потенциала.
Еº(Ag(+)/Ag) = + 0,799 B
Еº(2Н(+)/Н2) = 0 В
Поскольку
Еº(Ag(+)/Ag) > Еº(2Н(+)/Н2)
Значит, серебряный электрод в гальваническом элементе будет катодом, а стандартный водородный электрод – анодом.
Серебряный электрод опущен в раствор AgNO3 с молярной концентрацией ионов серебра равной 1,0 М. Стандартный водородный электрод опущен, как правило, в раствор серной кислоты H2SO4 с молярной концентрацией ионов Н(+) равной 1,0 M. Поскольку серная кислота – двухосновная кислота, тогда молярная концентрация серной кислоты в растворе будет равна 0,5 М.
Основы электрохимии
H2SO4 ↔ 2H(+) + SO4(2-)
См(H2SO4) = [H(+)]/2 = 1,0/2 = 0,5 М
Схема гальванического элемента.
A(-) Pt, H2 (1 атм) | H2SO4 (0,5 М) || AgNO3 (1,0 M) | Ag K(+)
Процессы окисления-восстановления на электродах.
Анод (-) H2 – 2e → 2H(+)| 1 – окисление на аноде
Катод(+) Ag(+) + e → Ag | 2 – восстановление на катоде
Суммируя реакции на аноде и катоде, получаем уравнение токообразующей реакции, которая в ионном виде выражает происходящую в элементе реакцию.
2Ag(+) + H2 → 2Ag + 2H(+)
Приведенная реакция невозможна как химическая реакция, но осуществима как токообразующая реакция в гальваническом элементе, когда водородный электрод является анодом.
Будем считать, что нитрат серебра в водном растворе полностью распался на ионы.
AgNO3 ↔ Ag(+) + NO3(-)
Тогда молярная концентрация ионов Ag(+) в растворе.
[Ag(+)] = См(AgNO3) = 1,0 M
Поскольку в гальваническом элементе молярные концентрации ионов Ag(+) и Н(+) равны 1,0 M, то электродные потенциалы анода и катода равны стандартным электродным потенциалам водородного и серебряного электродов соответственно.
Е(анода) = Еº(2Н(+)/Н2) = 0 B
Е(катода) = Еº(Ag(+)/Ag) = + 0,799 В
Стандартная ЭДС гальванического.
Е = E(катода) – Е(анода) = + 0,799 – 0 = + 0,799 В
Источник: www.liveexpert.org
Элементы
Одна из важнейших задач в химической, в особенности аналитической, практике — определение концентрации компонентов раствора. При этом часто возникает проблема определения очень малых концентраций, вплоть до таких, которые намного ниже, чем предел обнаружения обычных методов количественного анализа, как физико-химических (фотоколориметрия, потенциометрическое титрование и др.), так и в особенности титриметрических. Такие измерения связаны, например, с определением растворимости и произведения растворимости малорастворимых веществ или с определением константы устойчивости комплексных соединений. Решить эти задачи помогает использование потенциометрических измерений с помощью так называемых концентрационных гальванических элементов (или иначе, концентрационных цепей).
Гальванические элементы
В соответствии с уравнением Нернста (10.9) концентрация (активность) электролита, контактирующего с электродами гальванического элемента, оказывает непосредственное влияние на электродные потенциалы. Иными словами, электрод из одного и того же металла, помещённый в растворы с различной концентрацией ионов, относительно которых он обратим, приобретёт различный электродный потенциал. Следовательно, можно создать элемент, электроды которого идентичны и погружены в растворы одного и того же электролита, но с различной концентрацией — концентрационный гальванический элемент. Рассмотрим подобный концентрационный элемент, составленный из двух цинковых электродов, находящихся в контакте с растворами соли цинка различной концентрации. Формула такого элемента:
(-) Zn | Zn 2+ (а 1 = 0,01M) || Zn 2+ (а 2 = 1M) | Zn (+)
Электрод 1, опущенный в раствор с меньшей концентрацией ионов Zn 2+ , для установления равновесия выделяет в раствор большее число ионов и поэтому заряжается более отрицательно, чем электрод 2, находящийся в растворе с большей концентрацией ионов. При замыкании внешней цепи электрод 1 будет растворяться, выделяя в раствор ионы Zn 2+ , а на электроде 2 будет идти восстановление ионов цинка. При этом ионы Zn 2+ (а вместе с ними и содержащиеся в растворе анионы) будут проходить через полупроницаемую мембрану (или солевой мостик) из приэлектродного пространства более отрицательного электрода в сторону более положительного электрода. Этот процесс прекратится, когда концентрации электролитов в обоих приэлектродных пространствах станут равными друг другу.
| 0,0591 0,0591 Е = Е о Zn2+/Zn + ¾¾¾ lg a Zn2+ (2) — Е о Zn2+/ Zn + ¾¾¾ lg a Zn2+ (1) = 2 2 0,0591 a Zn2+ (2) 0,0591 1 = ¾¾¾ lg ¾¾¾¾ = ¾¾¾ lg ¾¾¾ = 0,0591 В. 2 a Zn2+ (1) 2 0,01 |
Согласно уравнению Нернста ЭДС этого элемента равна
Видно, что в окончательной формуле для расчёта ЭДС отсутствуют значения стандартных электродных потенциалов и стандартной ЭДС. Это говорит о том, что электродвижущая сила концентрационного ГЭ не зависит от природы электрода и ионов, относительно которых он обратим, и определяется только соотношением концентраций (активностей) ионов в приэлектродных электролитах.
Таким образом, в концентрационном элементе работа электрического тока при замыкании внешней цепи получается в результате самопроизвольного выравнивания концентрации электролитов, контактирующих с двумя электродами. Суммарный химический процесс в концентрационном элементе отсутствует, так как на катоде и на аноде идут противоположные электродные полуреакции (соответственно восстановление Zn 2+ + 2e — ® Zn 0 и окисление Zn 0 ® Zn 2+ + 2e — ). Для замедления самопроизвольного выравнивания концентраций путём диффузии полуэлементы разделяются полупроницаемой мембраной.
ЭДС концентрационных ГЭ, как правило, имеет небольшие значения. Поэтому при измерении их ЭДС существенное значение приобретает диффузионный потенциал, который удаётся свести к минимуму или практически устранить с помощью включения в цепь какого-либо другого электрода (например, каломельного) или применения солевого мостика.
Концентрационные элементы могут быть использованы для точных определений концентраций (активностей) солей, в том числе в очень разбавленных растворах, а также для измерения растворимости малорастворимых солей.
Пример: Рассчитать концентрацию хлорида серебра в насыщенном растворе и его произведение растворимости.
Для такого определения можно составить гальванический элемент из двух серебряных электродов, один из которых опущен в исследуемый насыщенный раствор AgCl, а другой — в раствор нитрата серебра с известной концентрацией (например, 01 М):
(-) Ag | AgNO3 (0,1 M) || AgCl (x) | Ag (+)
ЭДС этого элемента будет равна:
| 0,0591 a Ag+ (2) Е = ¾¾¾ lg ¾¾¾¾ 1 a Ag+ (1) |
Коэффициент активности AgNO3 при данной концентрации равен 0,82, отсюда его активность: a AgNO3 = 0,1´0,82 = 0,082 М. Измеренная ЭДС этого элемента равна 0,2243 В и, значит,
| 0,082 Е = 0,2243 = 0,0591 lg ¾¾¾¾, a Ag+ (1) |
| 0,0591 lg 0,082 — 0,2243 lg a Ag+ (1) = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ = -4,8809 0,0591 |
a Ag+ (1) = 10 — 4,8809 = 1,31529´10 — 5 моль/л.
Так как AgCl — электролит, молекула которого состоит из одного катиона и одного аниона, и при таких малых активностях концентрация практически равна активности, то можно принять
СAgCl = a AgCl.
Зная концентрацию ионов, можно рассчитать произведение растворимости AgCl:
ПР = a Ag+ ´ a Cl- = (1,31529´10 — 5 ) 2 = 1,73´10 — 10 (моль/л) 2 .
Удобно пользоваться концентрационными элементами и при оценке степени диссоциации комплексных соединений и расчёте их констант устойчивости.
Говоря о концентрационных ГЭ, следует упомянуть ещё одно практически важное обстоятельство. Если какой-либо металлический предмет контактирует с раствором электролита, в котором имеется градиент концентрации (то есть концентрация электролита в различных участках объёма раствора неодинакова), то на этом предмете могут возникать катодные и анодные участки, что приведет к электрохимической коррозии металла. Это часто наблюдается в случае металлических деталей со сложной конфигурацией, работающих в плохо перемешиваемых водных или неводных растворах электролитов.
Источник: studopedia.su
Концентрационные элементы
Формула Нернста позволяет подойти к другой важнейшей электрохимической проблеме — концентрационным элементам, которыми насыщены наша природа и живые организмы.
На границе контакта растворов, имеющих различную концентрацию ионов, возникает ЭДС. Поскольку электродный потенциал металла зависит от концентрации иона в растворе, можно составить гальванический элемент из одинаковых металлических электродов, погруженных в растворы с различной концентрацией ионов этого металла. Соберем гальванический элемент из двух электродов из одного металла, погруженных в растворы с различной концентрацией их ионов С, и С2 моль/л, причем С2> Cv Лучше вместо каких-либо металлов взять два платиновых электрода.
Составим два уравнения Нернста для двух электродов:
Электрод с меньшей концентрацией ионов имеет более высокую способность посылать ионы в раствор, и его электроны будут переходить на другой электрод с более высокой концентрацией ионов. Поэтому при С2 > С, имеем
В данном случае при С, = 0,01 моль/л, С2 = 0,1 моль/л получим
Таким образом, десятикратное различие в концентрациях ионов двух электродов создает ЭДС всего в 0,03 В.
Работа концентрационного элемента состоит в том, что металл, погруженный в более разбавленный раствор, отдавая свои ионы раствору, растворяется, а на электроде, опущенном в более концентрированный раствор, эти ионы разряжаются и осаждается металл. Выравнивание концентраций ионов в двух растворах, т.е. действие концентрационного элемента, будет происходить до тех пор, пока концентрации не станут равными.
С точки зрения термодинамических представлений электрический ток вырабатывается концентрационным элементом за счет стремления системы перейти в состояние с равномерным распределением ионов во всех ее частях, т.е. в состояние с максимальной энтропией.
Концентрационные элементы широко используют в химических исследованиях, например для определения растворимости, произведения растворимости, константы нестойкости комплексного иона, ионного произведения воды, констант диссоциации кислот и оснований, концентрации ионов водорода, pH растворов и т.п.
Составим гальванический элемент из стандартного водородного электрода с концентрацией (активностью) ионов водорода 1 моль/л и водородного электрода в чистой воде. ЭДС такого элемента равна 0,414 В (при температуре 298,15 К). Рассчитаем концентрацию ионов водорода в воде:
откуда Сн = 1 -10 7 моль/л и pH = 7. Из результатов опыта следует также, что ионное произведение воды Кп = 10 ‘ • 10 7 = 10 м и pH + рОН = 14.
Для установления растворимости электролита определяют ЭДС концентрационного элемента. Предположим, что требуется найти растворимость какой-либо соли, т.е. концентрацию ее в насыщенном растворе. Составим концентрационный элемент из двух электродов, один из которых находится в растворе с известной концентрацией С, а другой — в растворе с искомой концентрацией Сх (рис. 6.7). Потенциалы этих электродов /:, и Е., равны
где Е° — стандартный электродный потенциал катиона соли; п — число участвующих в реакции электронов (заряд катиона).
Рис. 6.7. Концентрационный элемент для измерения растворимости электролита
Определяемая экспериментально электродвижущая сила этого гальванического элемента равна
По значению ЭДС рассчитывают концентрацию Сх катионов в насыщенном растворе и растворимость соли (минерала). При использовании этого метода следует учитывать силу электролита, ионную силу раствора, возможность гидролиза, образования комплексных ионов и другие факторы.
Для точного определения произведения растворимости измеряют ЭДС концентрационного элемента, в котором один электрод представляет собой раствор с известной концентрацией иона, а второй — с концентрацией того же иона над осадком малорастворимого электролита.
В качестве примера рассмотрим определение произведения растворимости бромида серебра. Для этого составим гальванический элемент из двух электродов, одним из которых служит серебряная проволока, погруженная в насыщенный раствор бромида серебра, другим — серебряная проволока в 0,01 М растворе нитрата серебра.
В этой цепи возникает ЭДС, равная 0,245 В. В первом электроде концентрация ионов серебра определяется произведением растворимости бромида серебра:
Так как [Ag + ] = [Вг ], то ПР = [Ag + ] 2 , и тогда [Ag + ] = VTlP. Концентрация ионов серебра С’Л(,- у второго электрода задается концентрацией нитрата серебра, находящегося в растворе в виде ионов:
откуда IgnP = -12,277 и ПР = 5,28-10 ,3 .
Измерив ЭДС и определив ПР по крайней мере при двух температурах Г, и Т. легко вычислить изменение энтальпии и энтропии при растворении вещества в данном температурном интервале. Для этого достаточно составить и решить систему из двух уравнений с неизвестными ДЯр.1СТ и Д5раст:
Концентрационными элементами насыщены земная кора и живые организмы. Электрические токи концентрационных элементов влияют на магнитное поле земной коры, они участвуют в переносе соединений от одного места влажной земной поверхности к другому. Огромна их роль в поведении океанов и морей, хотя мало изучена.
В живых организмах концентрация ионов калия внутри клетки благодаря выталкиванию ионов натрия почти в 50 раз выше, чем снаружи клетки. Это создает ЭДС 0,6—0,9 В. Внутренняя сторона клеточной мембраны заряжена отрицательно, а наружная — положительно. Биоэлектрические потенциалы обеспечивают нормальную жизнедеятельность организмов.
Источник: studme.org