Geum.ru

Методические указания к самостоятельной работе по общей химии для студентов Iкурса всех специальностей, изучающих химию

Вид материалаМетодические указания
Таблица 2 Варианты задания 2
Гальванические элементы
Примеры решения задач
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7


Задание 2

Рассчитайте равновесный потенциал электрода, состоящего из металла Ме, погруженного в раствор электролита В с концентрацией С(В) (моль/л) (табл. 2).

Изменится ли потенциал электрода, если электролит разбавить в 10 раз?


Таблица 2

Варианты задания 2

№


п/п
Ме
В
С(В), моль/л
№

п/п
Ме
В
С(В), моль/л

1
Ni
NiSO4
0,01
16
Co
CoCl2
0,1

2
Ag
AgNO3
0,001
17
Al
AlCl3
0,01

3
Sn
SnCl2
0,1
18
Cr
Cr2(SO4)3
0,001

4
Zn
ZnSO4
0,1
19
Sn
SnSO4
0,0001

5
Fe
FeCl2
0,001
20
Zn
ZnJ2
0,001

6
Mn
Mn(NO3)2
0,01
21
Mn
MnSO4
0,01

7
Ti
TiCl2
0,0001
22
Ni
NiCl2
0,1

8
Cu
CuSO4
0,01
23
Bi
Bi(NO3)3
0,01

9
Pb
Pb(NO3)2
0,1
24
Fe
FeCl3
0,001

10
Аl
Al2(SO4)3
0,001
25
Mg
MgSO4
0,0001

11
Zn
ZnCl2
0,01
26
Cu
Cu(NO3)2
0,1

12
Cr
CrCl3
0,1
27
Sn
SnBr2
0,001

13
Fe
FeSO4
0,01
28
Cr
Cr(NO3)3
0,0001

14
Mg
Mg(NO3)2
0,001
29
Zn
Zn(NO3)2
0,01

15
Pb
Pb(CH3COO)2
0,001
30
AI
AlBr3
0,001



ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ


Гальванический элемент – это устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции непосредственно преобразуется в электрический ток.

Гальванический элемент состоит из двух электродов, соединенных металлическим проводником и находящихся в среде электролитов. Электрод, на котором происходит процесс окисления, называется анодом (отрицательный полюс гальванического элемента), а электрод, на котором происходит восстановление – катодом (положительный полюс). Причиной возникновения и протекания электрического тока в гальваническом элементе является разность электродных потенциалов.

Процессы, происходящие на электродах, записывают в виде электронных уравнений. Суммарное уравнение, получаемое при сложении электронных уравнений анодной и катодной реакций, представляет собой уравнение реакции, лежащей в основе работы гальванического элемента (токообразующей реакции).

При схематическом изображении гальванического элемента граница раздела между поверхностью электрода и электролитом обозначается вертикальной чертой, граница между двумя электролитами – двойной вертикальной чертой.

Максимальное напряжение гальванического элемента, отвечающее обратимому протеканию происходящей в нем реакции, называется электродвижущей силой Еэ (ЭДС) элемента. Если реакция осуществляется в стандартных условиях, то ЭДС называется стандартной электродвижущей силой данного элемента (ЭДСo). ЭДС гальванического элемента определяется общей формулой:

Еэ = Eк  EA,

где Ек и EА – потенциалы, отвечающие электродным процессам, происходящим на катоде и аноде.

Как известно, термодинамическим условием самопроизвольного протекания химического процесса является отрицательное значение изменения изобарно-изотермического потенциала (энергии Гиббса), т. е. G
G = n F Еэ,

где n – число электронов, участвующих в суммарном окислительно-восстановительном процессе.

Из анализа выражения для G следует, что термодинамическим условием самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции в гальваническом элементе является положительное значение ЭДС (Еэ), когда система с более высоким значением электродного потенциала выступает в качестве окислителя, т.е. восстанавливается.


Примеры решения задач


Пример 3

Гальванический элемент состоит из кадмиевого и серебряного электродов, погруженных в раствор соляной кислоты.

Составьте схему гальванического элемента, напишите электронные уравнения электродных процессов и токообразующей реакции. Укажите направление движения электронов во внешней цепи.


Решение


Поскольку стандартный потенциал кадмиевого электрода Е0Cd2+/ Cd = 0,40 В

меньше, чем стандартный потенциал серебряного электрода Е0Ag+/ Ag = 0,80 В, анодом будет кадмий, а катодом – серебро.

Схема заданного гальванического элемента имеет вид

() A Cd | HCI | Ag K (+) или () А Сd | H+ | Ag K (+).

Составим электронные уравнения электродных процессов и токообразующей реакции.

На аноде: Cd0  2ē = Cd2+ окисление; восстановитель.

На катоде: 2Н+ + 2ē = H02 восстановление; окислитель;

Cd0 +2Н+ = Сd2+ + Н02.

В молекулярной форме токообразующая реакция имеет вид

Cd0 + 2HCl = CdCI2 +H2 .

Во внешней цепи движение электронов происходит от анода к катоду, то есть от кадмиевого электрода к серебряному.


Пример 4

Гальванический элемент составлен из кадмиевого и серебряного электродов, погруженных в растворы нитрата кадмия и нитрата серебра с концентрациями 0,01 моль/л и 0,001 моль/л соответственно.

Составьте схему гальванического элемента, напишите уравнения реакции, лежащей в основе работы данного гальванического элемента и определите направление ее протекания.


Решение


Схема заданного гальванического элемента имеет вид:

() A Cd | Сd (NO3)2 || Ag NO3  Ag K(+) или

() А Сd | Сd2+ || Ag+  Ag K (+).

Анодом является кадмиевый электрод, так как значение стандартного потенциала кадмия значительно меньше стандартного потенциала серебра и различие в концентрациях электролитов не приведет к принципиальному изменению соотношения потенциалов электродов.

Запишем уравнения электродных процессов и на их основе реакции, лежащей в основе работы гальванического элемента (токообразующей реакции).

На аноде: Cd0  2ē = Cd2+ 1 окисление; восстановитель.

На катоде: Ag+ + ē = Ag0 2 восстановление; окислитель.

Cd0 + 2Ag+ = Сd2+ + 2Аg0 или в молекулярной форме

Cd0 + 2AgNO3 = Cd(NO3)2 + 2Ag0.

Вычислим равновесные потенциалы электродов по уравнению Нернста:


ЕК = ЕАg+/ Аg = Е0 Аg+/ Аg + 0,059 lg[Ag+] = 0,80 + 0,059 lg10-3 = 0,68 В.

ЕA = ЕCd2+/ Cd = Е0 Cd+/ Cd + lg[Cd2+] = 0,40 + 0,03 lg10-2 = 0,46 В.


Найдем значение ЭДС и установим направление протекания токообразующей реакции.

ЭДС = Еэ = EК  EА = 0,68 – (0,46) = 1,14 В.

Поскольку ЭДС > 0, то G < 0 и токообразующая реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении, кадмий окисляется, а серебро восстанавливается.