ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ И ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИЕ СИЛЫ

14.1. Если металлическую пластинку опустить в воду, то катионы металла на её 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:

Me+MH₂O→Me(H₂O)ⁿ_m+nē

^{в растворе на металле}

где n – число электронов принимающих участие в процессе. На границе металл – жидкость возникает двойной электрический слой, характеризующийся определенным скачком потенциала. Абсолютные значения электронных 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.(E0 ).

Стандартным электродным потенциалом у металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью), равное 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом потенциал которого при 25º C условно принимается равным нулю ( E⁰=0; ∆G⁰=0).

Располагая металлы 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 E⁰, 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= -nFE⁰.

14.2. Примеры решения задач.

Пример 1. Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем кобальта (табл.14.1). 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.

Таблица 14.1Стандартные электродные потенциалы (E⁰) некоторых металлов (ряд напряжений).

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

E=E⁰+ lgC,

где E⁰ – стандартный электродный потенциал;

n – число электронов, принимающих участие в процессе;

C – концентрация (при точных вычислениях – активность) гидратированных ионов металла в растворе, моль/n;

E⁰ для никеля и кобальта соответственно равны – 0,25 и – 0,277 В. Определим электродные потенциалы этих металлов при данных в условии концентрациях:

E_Ni²⁺_/Ni= -0,25 + lg10^-3= - 0,339 В,

E_Co²⁺_/Co= - 0,277+ lg10^-1= - 0,307 В.

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=0,0295lgC,

lgC= - = - 1,3559= 2,6441,

C_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

Mg⁰ – 2e=Mg²⁺ (1)

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

Zn²⁺+2e= Zn⁰, (2)

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

Mg+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= E⁰ _Zn²⁺_/Zn – E⁰ _Mg²⁺_/Mg= - 0,763-(-2,37)=1,607 В.

14.3.Задания для контрольной работы.

261. 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.

262. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: а) CuSO₄; б) MgSO₄; в) Pb(NO₃)₂? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

263. При какой концентрации Zn²⁺ (в моль/л) потенциал цинкового электрода будет на 0,015В меньше его стандартного электродного потенциала? Ответ: 0,30 моль/л.

264. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса кадмиевой пластинки при взаимодействии ее с растворами: а) AgNO_3; б) ZnSO₄; в) NiSO₄? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

265. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал -1,23В. Вычислите концентрацию ионов Mn²⁺(в моль/л). Ответ: 1,89∙10^-2 моль/л.

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

267. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС медно- кадмиевого гальванического элемента, в котором [Cd²⁺]=0,8 моль/л, а [Cu²⁺]=0,01 моль/л. Ответ: 0,68 В.

268. 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.

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

270. Какой гальванический элемент называется концентрационным? Составьте схему, напишите электродные 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 AgNO₃. Ответ: 0,059 В.

271. 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.

272. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластин.

щенных в растворы своих солей с концентрацией [Pb²⁺] = [Mo²⁺] = 0,01 моль/л. Изменится ли ЭДС этого элемента, если концентрацию каждого их ионов увеличить в одинаковое число раз? Ответ: 2,244 V_H В.

273. 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.

274. 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.

275. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего их пластин кадмия и магния, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Mg²⁺] = [Cd²⁺] = 1моль/л. Изменится ли значение ЭДС, если концентрацию каждого их ионов понизить до 0,01моль/л. Ответ: 1,967В.

276. 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 взять ионы железа (моль/л), чтобы ЭДС элемента стала равна нулю, если [Zn²⁺] = 0,001моль/л. Ответ: 7.3 10^-15моль/л.

277. 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⁺] = 0,01моль/л, а [Pb²⁺] = 0,0001моль/л. Ответ: 0,064В.

278. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке свинцового аккумулятора?

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

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

Дата добавления: 2014-09-08; просмотров: 1221; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!