Кинетика химических и электрохимических процессов
Методическое пособие - Химия
Другие методички по предмету Химия
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова
Методические указания к практическим занятиям по физической химии:
КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Чебоксары 2007
УДК 541.1:541.2:541.6
Составители:
С.М. Верхунов
Р.А. Зимин
Э.В. Андреева
Н.И. Кольцов
Кинетика химических и электрохимических процессов: Метод. указания к практическим занятиям по физической химии / Сост. С.М. Верхунов, Р.А. Зимин, Э.В. Андреева, Н.И. Кольцов; Чуваш. ун-т. Чебоксары, 2007. 61 с.
Содержат задачи по следующим темам: электрическая проводимость, равновесия в растворах электролитов, электродвижущие силы, электродные потенциалы, формальная кинетика, сложные реакции, зависимость скорости реакции от температуры, фотохимические реакции. К каждой теме приведены необходимые теоретические сведения, основные уравнения, методики решения задач, предложены задачи для самостоятельного решения с ответами.
Для студентов III и IV курсов химико-фармацевтического факультета.
Ответственный редактор д-р хим. наук, профессор Н.И. Кольцов
Утверждено Методическим советом университета.
1. Электрическая проводимость. Равновесие в растворах электролитов
1.1 Необходимые исходные сведения и основные уравнения
Электролитом называется вещество, которое при взаимодействии с водой способно распадаться на ионы и тем самым переносить электрический заряд. По способу переноса электрического заряда все проводники делятся на два рода. К проводникам первого рода относятся проводники с электронной проводимостью (все металлы, углерод, графит, некоторые неметаллы). К проводникам второго рода относятся проводники с ионной проводимостью (растворы кислот, большинства солей и оснований, а также их расплавы).
Важнейшей характеристикой электрической проводимости является электрическое сопротивление проводников:
R = •l/s,(1.1)
где - удельное электрическое сопротивление, Ом.м; l длина проводника первого рода или расстояние между электродами в проводнике второго рода, м; s площадь поперечного сечения проводника первого рода или площадь электродов проводника второго рода, м2.
Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью:
1/ = ,(1.2)
где - удельная электрическая проводимость, Ом-1.м-1. Удельной электрической проводимостью называется электрическая проводимость электролита, заключенного между электродами площадью 1 м2 и расположенными на расстоянии 1 м друг от друга.
Для растворов электролитов часто пользуются понятием эквивалентная электрическая проводимость :
= /с (1.3)
где с эквивалентная концентрация электролита, моль.м-3. Эквивалентной электрической проводимостью называется электрическая проводимость электролита, заключенного между электродами, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга и такой площади, что в пространстве между ними содержится 1 моль электролита.
Зависимость эквивалентной электрической проводимости от концентрации описывается уравнением Кольрауша:
= - А,(1.4)
где - эквивалентная электрическая проводимость при бесконечном разбавлении, Ом-1.моль-1.м2; А постоянная, зависящая от природы электролита.
Так как проводник второго рода при растворении в воде распадается на два типа ионов, то электрический заряд переносится совместно катионами и анионами и справедливо уравнение Кольрауша (закон независимости движения ионов):
= + ,(1.5)
где и - - электрические проводимости соответственно катиона и аниона, Ом-1.моль-1.м2. Электрическая проводимость катиона и аниона в большей степени определяется скоростью их движения:
u+ = u+0U/l и v- = v-0U/l,(1.6)
где u+0 и v-0 абсолютные скорости движения ионов, м2.с-1.В-1; U/l напряженность электрического поля, В.м-1,
+ = F.v+0 и - = F.v-0,(1.7)
где F число Фарадея (F = 96500 Кл).
Абсолютные скорости движения ионов различны. Так как в проводниках второго рода электрический заряд переносится од-новременно катионами и анионами, то
Q = Q+ + Q-и I = I+ + I- (1.8)
где Q перенесенный заряд, Кл; Q+ и Q- - заряд, перенесенный катионами и анионами, Кл; I, I-, I+ - общая сила тока и сила тока, определяемая движением анионов и катионов, А.
Количество заряда, перенесенного ионами, зависит от скорости движения (подвижности), заряда и размера ионов, а также от некоторых других факторов. В большинстве случаев доли зарядов, перенесенных разными видами ионов, не совпадают друг с другом. По этой причине вводится понятие о числах переноса ионов (t+ и t-). Числом переноса ионов называется доля заряда, перенесенного данным видом иона:
t+ = Q+/(Q+ + Q-) = I+/(I+ + I-); (1.9)
t- = Q-/(Q+ + Q-) = I-/(I+ + I-). (1.10)
Очевидно, что t+ + t- = 1. Отсюда:
t+ = 1 t- и t