Примеры составления условий задач и их решения. Гальванические элементы

Гальванические элементы

Гальваническими элементами называются устройства, с помощью которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов может быть преобразована в электрическую. В основе работы гальванических элементов лежат явления, происходящие на границе между металлом и раствором электролита и сопровождающиеся возникновением на ней разности или скачка потенциалов.

Разности или скачки потенциалов на границе металл-раствор зависят от активности катионов металла в растворе или, другими словами, каждой данной активности катионов металла в растворе соответствует определенное значение равновесного скачка потенциалов. Они называются электродными потенциалами, а их значения определяются относительно стандартного водородного электрода, принятого в качестве эталона, потенциал которого, называемый стандартным или нормальным, условно принимается равным нулю.

Всякий гальванический элемент состоит из двух электродов – металлов, погруженных в растворы электролитов; последние сообщаются друг с другом – обычно через пористую перегородку. Электрод, на котором в ходе реакции происходит процесс окисления, называется анодом; электрод, на котором осуществляется восстановление, – катодом.

При схематическом изображении гальванического элемента граница раздела между металлом и раствором обозначается вертикальной чертой, граница между растворами электролитов – двойной вертикальной чертой:

Zn|Zn(NO₃)₂ ||AgNO₃|Ag.

Максимальное напряжение гальванического элемента, отвечающее обратимому протеканию происходящей в нем реакции, называется электродвижущей силой Е (э.д.с.) элемента.

Если реакция осуществляется в стандартных условиях, т.е., если все вещества, участвующие в реакции, находятся в своих стандартных состояниях, то наблюдаемая при этом э.д.с. называется стандартной электродвижущей силой Е^о данного элемента.

Э.д.с. гальванического элемента может быть представлена как разность двух электродных потенциалов φ, каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на одном из электродов:

Е = φ_Ag – φ_Zn.

Здесь φ_Ag и φ_Zn – потенциалы, отвечающие электродным процессам, происходящим соответственно на серебряном и цинковом электродах.

Задача 399

Составить схему, написать уравнения электродных процессов и рассчитать э.д.с. элемента, состоящего из цинковой и никелевой пластин, опущенных в растворы сернокислых солей с концентрацией = 0,01 моль/л.

Решение:

В ряду напряжений Zn стоит левее Ni, поэтому в гальваническом элементе отрицательным (анодом) будет цинковый электрод, а положительным (катодом) - никелевый.

Схема гальванического элемента

(-) Zn½ZnSO₄½½NiSO₄½Ni (+).

При работе элемента протекают реакции:

на аноде Zn ® Zn²⁺ + 2e,

на катоде Ni²⁺ + 2e ® Ni.

Электродные потенциалы необходимо вычислить по уравнению Нернста:

.

Отсюда Е = -0,309 - (-0,819) = 0,51 В.

С учетом того, что число электронов, переносимых во время электрохимической реакции металлами, одинаково и концентрации растворов равны, уравнение упрощается и принимает вид

; ;

.

Гальванический элемент может быть составлен не только из различных, но и из одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, различающиеся только концентрацией (концентрационные гальванические элементы). Э.д.с. такого элемента также равна разности потенциалов составляющих его электродов.

Электрод, погруженный в более концентрированный раствор, положителен по отношению к другому, который погружен в более разбавленный раствор.

Задача 406

Вычислить электродвижущую силу концентрационного элемента:

Cu½CuCrO₄ (C₁=0,01 моль/л) ½½ CuCrO₄ (C₂=0,1 моль/л)½Cu.

Решение:

Рассчитаем э.д.с. по уравнению:

.

Элемент будет действовать до тех пор, пока не выравнится концентрация ионов у обоих электродов.

Задача 423

Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция:

Cd + CuSO₄ (C=1 моль/л) ® CdSO₄ (C=1 моль/л) + Cu.

Вычислить э.д.с. элемента и энергию Гиббса DG.

Решение:

По ряду напряжения находим: ; .

Реакция окисления должна протекать на аноде, а реакция восстановления – на катоде, значит, элемент запишем в виде

(-) Cd½CdSO₄½½CuSO₄½Cu (+).

.

Изменение энергии Гиббса вычислим по уравнению DG = nFE⁰, где n -число электронов, принимающих участие в электрохимической реакции,

F – число Фарадея (96 500 Кл или 96 500 Дж/В×моль).

DG = -2×96500×0,74 = -142,820 кДж/моль.

Таким образом, для любого электрохимического элемента, работающего самопроизвольно, Е должна быть положительной, а DG, соответственно, отрицательной.

Задача 449

Исходя из величин стандартных электродных потенциалов рассчи­тать константу равновесия реакции, протекающей в гальваническом элементе:

Cu + 2AgNO₃ ® Cu(NO₃)₂ + 2Ag.

Решение:

По ряду напряжений находим, ,а . Отсюда следует, что медный электрод будет отрицательным, т.е. анодом:

(-) Cu½Cu²⁺ ½½Ag⁺½Ag (+).

Между константой равновесия реакции, протекающей в гальваническом элементе, и э.д.с. элемента существует зависимость

, откуда .

Вычислим константу равновесия реакции:

K = 3,8∙10¹⁵.

Сопоставляя электродные потенциалы, можно заранее определить направление, в котором будет протекать окислительно-восстановитель­ная реакция. Поскольку

,

то окислителем будет служить ион серебра, а восстановителем – медь: рассматриваемая реакция будет протекать слева направо. По величине константы равновесия (К=3,8 ×10¹⁵) судим о сдвиге равновесия реакции в сторону продуктов реакции. Число 10¹⁵ означает, что равновесие в данной системе наступит тогда, когда произведение концентрации ионов исходных продуктов будет в 10¹⁵ раз меньше произведения кон­центраций ионов конечных продуктов.

Задача 420

Определить э.д.с. элемента, у которого электродами являются две платиновые пластинки, опущенные в растворы SnCl₂ и FeCl₃. Составить схему гальванического элемента.

Решение:

В этом элементе по проводнику, соединяющему электроды, будет идти электрический ток в результате окислительно-восстановительной реакции:

SnCl₂ + 2FeCl₃ ® SnCl₄ + 2FeCl₂.

В подобных гальванических элементах электроды (Рt) не участвуют во взаимодействии, а являются лишь переносчиками электронов. Схему элемента для приведенной выше реакции можно представить сле­дующим образом:

(-) Pt, Sn²⁺ ½Sn⁴⁺ ½½Fe³⁺ ½Fe²⁺ , Pt(+).

На аноде Sn²⁺ -2e ® Sn⁴⁺ j⁰₁= + 0,15В.

На катоде Fe³⁺ +e ® Fe²⁺ j⁰₂= + 0,771 В.

Sn²⁺ + 2Fe³⁺ ® Sn⁴⁺ + 2Fe²⁺.

Исходные и полученные в результате реакции ионы олова образуют окислительно-восстановительную пару Sn²⁺/Sn⁴⁺, которая является одним из полуэлементов. Вторым полуэлементом является окислительно-восстановительная пара Fe³⁺/Fe²⁺.

Разность потенциалов на границе между инертным электродом и раствором, содержащим окисленную и восстановленную формы вещества, назы­вают окислительно-восстановительным потенциалом:

.

При выполнений заданий рекомендуется использовать методические указания [1].

Стандартные значения электродных потенциалов найти в табл. 4 приложения.

В задачах 392–420 определить электродвижущую силу элементов, написать уравнения реакций, за счет которых возникает разность потенциалов. Составить схемы элементов

№ задачи	1-й полуэлемент	2-й полуэлемент
	Mg; MgSO4 (C1=0,1 моль/л)	Fe; FeSO4 (C2=0,01 моль/л)
	Cd; CdSO4 (C1=0,01 моль/л)	Cd; CdSO4 (C2=0,1 моль/л)
	Pt, H2; H2SO4 (C1=1 моль/л)	Ag; AgNO3 (C2=0,1 моль/л)
	Al; AlCl3 (C1=0,1 моль/л)	Pt, H2; HCl (C2=1 моль/л)
	Pb; Pb(NO3)2 (C1=0,01 моль/л)	Cu; Cu(NO3)2 (C2=1 моль/л)
	Fe; Fe(NO3)2 (C1=1 моль/л)	Pb; Pb(NO3)2 (C2=1 моль/л)
	Ag; AgNO3 (C1=0,1 моль/л)	Ag; AgNO3 (C2=1 моль/л)
	Zn; ZnSO4 (C1=0,01 моль/л)	Ni; NiSO4 (C2=0,01 моль/л)
	Ni; NiSO4 (C1=0,001 моль/л)	Cu; CuSO4 (C2=0,01 моль/л)
	Cd; CdCl2 (C1=1 моль/л)	Sn; SnCl2 (C2=0,01 моль/л)
	Zn; ZnSO4 (C1=1 моль/л)	Pt, H2; H2SO4 (C2=1моль/л)
	Fe; FeCl2 (C1=0,1 моль/л)	Ag; AgCl (C2=0,01 моль/л)
	Fe; FeCl2 (C1=1 моль/л)	Sn; SnCl2 (C2=1 моль/л)
	Mg; Mg(NO3)2 (C1=0,01 моль/л)	Pb; Pb(NO3)2 (C2=0,01моль/л)
	Cu; CuCrO4 (C1=0,01 моль/л)	Cu; CuCrO4 (C2=0,1 моль/л)
	Cd; CdCl2 (C1=0,1 моль/л)	Pb; PbCl2 (C2=0,1 моль/л)
	Cu; CuCl2 (C1=0,1 моль/л)	Pt, Cl2; 2Cl^– (C2=1 моль/л)
	Cr; CrSO4 (C1=0,001 моль/л)	Ni; NiSO4 (C2=0,01 моль/л)
	Pt, H2; H2SO4 (C1=0,1 моль/л)	Ag; AgI (C2=0,01 моль/л)
	Zn; ZnCl2 (C1=1 моль/л)	Cr; CrCl3 (C2=0,1 моль/л)
	Pt, H2; H2SO4 (C1=0,1 моль/л)	Pb; PbSO4 (C2=1 моль/л)
	Fe; FeBr2 (C1=0,1 моль/л)	Cu; CuBr2 (C2=0,1 моль/л)
	Zn; ZnSO4 (C1=0,1 моль/л)	Cu; CuSO4 (C2=0,001 моль/л)
	Pt, H2; HCl (C1=1 моль/л)	Fe; FeCl2 (C2=0,1 моль/л)
	Sn; SnSO4 (C1=1 моль/л)	Pt, H2; H2SO4 (C2=1 моль/л)
	Fe; FeCl2 (C1=0,1 моль/л)	Ag; AgCl (C2=0,01 моль/л)
	Cd; CdI2 (C1=1 моль/л)	Ag; AgI (C2=1 моль/л)
	Cd; Cd(NO3)2 (C1=0,1 моль/л)	Cu; Cu(NO3)2 (C2=0,1 моль/л)
	Pt, Sn^2+; Sn^4+ (C1=1 моль/л)	Fe^3+; Fe^2+ (C2=1 моль/л)

В задачах 421–445 составить схемы гальванических элементов, в которых протекают приведенные ниже токообразующие реакции. Вычислить э.д.с. элементов. Чему равно DG?

№ задачи	Токообразующая реакция
	H2 + Cu^2+(C=0,1 моль/л)® 2H^+ (C=1моль/л) + Cu
	2Al + 3Fe^2+ (C=1моль/л) ® 2Al^3+(C=0,01моль/л) + 3Fe
	Cd + CuSO4 (C=1моль/л) ® CdSO4 (C=1моль/л) + Cu
	Zn + 2H^+ (C=1моль/л) ® Zn^2+(C=0,1 моль/л)+ H2
	Mg + H2SO4 (C=1моль/л) ® MgSO4 (C=1моль/л) + H2
	Cu + 2AgNO3 (C=0,1 моль/л)® Cu(NO3)2 (C=0,1 моль/л)+ 2 Ag
	Mg + Fe^2+(C=1моль/л) ® Mg^2+(C=0,01моль/л) + Fe
	Fe + Cu^2+(C=0,01моль/л) ® Fe^2+ (C=1моль/л) + Cu
	Ni + CuSO4 (C=1моль/л) ® NiSO4 (C=1моль/л) + Cu
	Cd + SnCl2(C=0,1 моль/л)® CdCl2 (C=0,01моль/л) + Sn
	Zn + Cu^2+ (C=1моль/л) ® Zn^2+ (C=1моль/л) + Cu
	Cu + Cl2 (C=1моль/л) ® Cu^2+ (C=1моль/л) + 2Cl^-
	Hg^2+(C=0,1 моль/л)+ 2Ag ® Hg + 2Ag^+(C=1×10^-4моль/л)
	3Zn + 2 Cr^3+(C=1×10^-3моль/л) ® 3Zn^2+(C=1×10^-4моль/л) + 2Cr
	Sr + H2SO4 (C=1моль/л) ® SrSO4 (C=1моль/л) + H2
	Be + Cо^2+(C=0,1 моль/л)® Be^2+ (C=0,01моль/л) + Cо
	2Fe(NO3)2 + Hg2(NO3)2 (C=1моль/л)® 2Fe(NO3)3(C=1моль/л)+2Hg
	Cu + 2AgCl(C=0,01моль/л) ® CuCl2 (C=0,001моль/л) + 2Ag
	H2 + 2Ag^+ (C=1моль/л) ® 2H^+(C=0,1 моль/л)+ 2Ag
	Cd + PbCl2 (C=0,01моль/л) ® CdCl2(C=0,01моль/л) + Pb
	Pb + 2AgNO3(C=0,1 моль/л)® Pb(NO3)2 (C=0,01моль/л) + 2Ag
	Zn +Hg2Cl2 (C=1моль/л) ® ZnCl2 (C=1моль/л) + 2Hg
	Cd + 2AgCl(C=0,1 моль/л)® CdCl2 (C=0,01моль/л) + 2Ag
	Sc + Bi^3+(C=0,1 моль/л)® Sc^3+(C=0,1 моль/л)+ Bi
	Sn + CuCl2 (C=1моль/л) ® SnCl2 (C=1моль/л) + Cu

В задачах 446–471 вычислить константы равновесия окислительно-восстановительных реакций, протекающих в гальванических элементах

№ задачи	Уравнение реакции
	SnCl2 + 2FeCl3 ® SnCl4 + 2FeCl2
	Zn + CdSO4 ® ZnSO4 + Cu
	Pb + Cu(NO3)2 ® Pb(NO3)2 + Cu
	Cu +2AgNO3 ® Cu(NO3)2 + 2Ag
	Mg + H2SO4 ® MgSO4 + H2
	Zn + CuSO4 ® ZnSO4 + Cu
	Al + CrCl3® AlCl3 + Cr
	5FeCl2 + KMnO4 + 8HCl ® MnCl2 + KCl + 5FeCl3 + 4H2O
	H3PO3 + 2AgNO3 + H2O ® H3PO4 + 2Ag + 2HNO3
	2KBr + PbO2 + 4HNO3 ® Pb(NO3)2 + Br2 + 2KNO3 + 2H2O
	Fe + CuSO4 ® FeSO4 + Cu
	Pb + Hg2Cl2 ® PbCl2 + 2Hg
	Cd + CuSO4 ® CdSO4 + Cu
	4FeCl2 + O2 + 4HCl ® 4FeCl3 + 2H2O
	Mn + NiCl2 ® MnCl2 + Ni
	2Al + 3 Pb(NO3)2 ® 2Al(NO3)3 + 3Pb
	Sn + HgSO4 ® SnSO4 + Hg
	FeBr2 + CoBr3 ® FeBr3 + Co
	Zn + Pb(NO3)2 ® Zn(NO3)2 + Pb
	2FeSO4 +Cl2 + Na2SO4 ® 2NaCl + Fe2(SO4)3
	Zn + Hg2Cl2 ® ZnCl2 + 2Hg
	Cu + 2AgCl ® CuCl2 + 2Ag
	Cd + SnCl2 ® CdCl2 + Sn
	Fe + Pb(NO3)2 ® Fe(NO3)2 + Pb
	Ni + CuSO4 ® NiSO4 + Cu
	Ca + H2SO4 ® CaSO4 + H2

Дата добавления: 2014-10-31