Электродные потенциалы

При контакте металла с раствором электролита на границе металл – жидкость возникает двойной электрический слой. Образование двойного электрического слоя сопровождается появлением межфазной разности потенциалов, которая в электрохимии называется электродным потенциалом. Если ограничиться рассмотрением системы, состоящей из металла, помещенного в раствор собственной соли, то величина электродного потенциала зависит от природы металла и раствора, количественного состава раствора и температуры. Эта зависимость выражается уравнением Нернста, которое для температуры 298 К (25 °С) записывается в виде

где - электродный потенциал, В; - стандартный электродный потенциал – электродный потенциал, измеренный при стандартных условиях ( кПа; моль/л; К); - число электронов, участвующих в электрохимическом процессе; - концентрация (при точных вычислениях – активность) ионов металла в растворе, моль/л.

Пример 1. Определить электродный потенциал никеля, помещенного в раствор собственной соли с концентрацией ионов 0,001 моль/л.

Решение: Стандартный электродный потенциал никеля равен В.

Электродный процесс описывается реакцией

.

Поэтому согласно уравнению Нернста

В.

Располагая металлы по возрастанию стандартного электродного потенциала, получим ряд напряжений металлов.

Положение того или иного металла в этом ряду характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях. Чем меньше значение стандартного электродного потенциала (чем левее располагается металл в ряду напряжений), тем более сильным восстановителем является сам металл и тем более слабым окислителем будет его ион.

Система, состоящая из металла, помещенного в раствор электролита, называется электродом или полуэлементом. Комбинация двух разных полуэлементов, соединенных через пористую перегородку или посредством электрохимического мостика, называется гальваническим элементом. При работе гальванического элемента на одном из его электродов – аноде - идет процесс окисления, при этом металл заряжается отрицательно, а на втором электроде – катоде – идет процесс восстановления. Катод заряжается положительно.

Анодом в гальваническом элементе будет металл, электродный потенциал которого меньше (металл располагается левее в ряду напряжений). Роль катода играет металл, электродный потенциал которого больше (металл в ряду напряжений располагается правее).

ЭДС () гальванического элемента определяется по формуле

где - потенциал катода; - потенциал анода.

Пример 2. Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магний и цинк, опущенные в растворы их солей с концентрацией ионов 1 моль/л. Определите катод и анод, напишите уравнения электродных процессов и суммарной окислительно-восстановительной реакции и вычислите ЭДС гальванического элемента.

Решение: Схема данного гальванического элемента запишется в виде

.

Магний имеет меньший стандартный потенциал (-2,37 В), поэтому является анодом. На аноде протекает процесс окисления

.

Стандартный электродный потенциал цинка (-0,763 В) больше, чем потенциал магния, поэтому цинк – катод. На этом электроде протекает процесс восстановления

.

Суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции имеет вид

.

ЭДС гальванического элемента равна

В.

Контрольные вопросы

421. В два сосуда с голубым раствором сульфата меди поместили в первый цинковую, а во второй – серебряную пластинку. В каком соседе и почему раствор постепенно обесцветится? Составьте уравнения соответствующих реакций.

422. Запишите схемы процессов, протекающих в гальваническом элементе Zn | Zn(NO₃)₂ || Ni(NO₃)₂ | Ni

и рассчитайте его ЭДС, если концентрация нитрата цинка равна 0,01 моль/л, а нитрата никеля – 1 моль/л.

423. Запишите схемы процессов, протекающих в гальваническом элементе Cu | Cu(NO₃)₂ || AgNO₃ | Ag

и рассчитайте его ЭДС, если концентрация нитрата меди равна 0,001 моль/л, а концентрация нитрата серебра – 0,1 моль/л.

424. Запишите схемы процессов, протекающих в гальваническом элементе Mn | Mn(NO₃)₂ || Sn(NO₃)₂ | Sn

и рассчитайте его ЭДС, если концентрация раствора нитрата марганца равна 0,001 моль/л, а нитрата олова – 0,5 моль/л.

425. Запишите схемы процессов, протекающих в гальваническом элементе Zn | ZnSO₄ || Fe₂(SO₄ )₃ | Fe

и рассчитайте его ЭДС, если концентрация сульфата цинка равна 0,01моль/л, а сульфата железа – 0,005 моль/л.

426. Запишите схемы процессов, протекающих в гальваническом элементе Zn | ZnSO₄ || AgNO₃ | Ag

и рассчитайте его ЭДС, если концентрация сульфата цинка равна 0,0001 моль/л, а нитрата серебра – 0,1 моль/л.

427. Запишите схемы процессов, протекающих в гальваническом элементе Ni | Ni(NO₃)₂ || Sn(NO₃)₂ | Sn

и рассчитайте его ЭДС, если концентрация нитрата никеля равна 0,0001 моль/л, а нитрата олова – 0,1 моль/л.

428. Запишите схемы процессов, протекающих в гальваническом элементе Cr | Cr(NO₃)₃ || AgNO₃ | Ag

и рассчитайте его ЭДС, если концентрация нитрата хрома равна 0,1 моль/л, а нитрата серебра – 0,00001 моль/л.

429. Запишите схемы процессов, протекающих в гальваническом элементе Mn | Mn(NO₃)₂ || Ni(NO₃)₂ | Ni

и рассчитайте его ЭДС, если концентрация нитрата марганца равна 0,01 моль/л, а нитрата никеля – 0,5 моль/л.

430. Запишите схемы процессов, протекающих в гальваническом элементе Zn | Zn(NO₃)₂ || Sn(NO₃)₂ | Sn

и рассчитайте его ЭДС, если концентрация нитрата цинка равна 0,01 моль/л, а нитрата олова – 0,000001 моль/л.

431. Запишите схемы процессов, протекающих в гальваническом элементе Cd | Cd(NO₃)₂ || Cu(NO₃)₂ | Cu

и рассчитайте его ЭДС, если концентрация нитрата кадмия равна 0,0001моль/л, а нитрата меди – 1 моль/л.

432. Как изменится масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: а) ; б) ; в) ? Составьте уравнения соответствующих реакций.

433. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал -1,23 В. Вычислите концентрацию ионов марганца..

434. Потенциал серебряного электрода в растворе нитрата серебра составил 95% от значения его стандартного электродного потенциала. Определите концентрацию ионов серебра в растворе..

435. Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС медно-кадмиевого гальванического элемента, в котором концентрация ионов кадмия составляет 0,8 моль/л, а ионов меди – 0,01 моль/л..

436. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых медь была бы катодом, а в другом – анодом. Для каждого из этих элементов напишите уравнения катодного и анодного процессов.

437. При какой концентрации ионов меди в растворе значение потенциала медного электрода становится равным стандартному потенциалу водородного электрода?.

438. Какой гальванический элемент называют концентрационным? Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, помещенных первый в 0,01 н., а второй в 0,1 н. растворы нитрата серебра.

439. При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из никелевых электродов, помещенных первый в 0,001 моль/л, а второй в 0,01 моль/л растворы сульфата никеля.

.

440. Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластин, опущенных в растворы своих солей. Концентрации ионов свинца и магния одинаковы и составляют 0,1 моль/л. Изменится ли ЭДС, если концентрацию каждого из ионов увеличить в одинаковое число раз?

.

441. Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из кадмиевой и магниевой пластин, опущенных в растворы своих солей. Концентрация ионов кадмия и магния одинакова и составляет 1 моль/л. Изменится ли ЭДС, если концентрацию каждого из ионов уменьшить до 0,01 моль/л?

.

442. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин цинка и железа, погруженных в растворы их солей. Напишите уравнения катодного и анодного процессов. Какой концентрации необходимо взять ионы железа (II), чтобы ЭДС гальванического элемента стала равной нулю при условии, что концентрация ионов цинка равна 0,001 моль/л?

443. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция .

Напишите уравнения анодного и катодного процессов. Вычислите ЭДС, если концентрация ионов никеля равна 0,01 моль/л, а ионов свинца – 0,0001 моль/л.

.

444. Потенциал медного электрода в растворе нитрата меди составил 50% от значения его стандартного электродного потенциала. Определите концентрацию ионов меди в растворе.

445. Во сколько раз изменится электродный потенциал серебряного электрода, если концентрацию ионов серебра уменьшить в 1000 раз?

446. При какой концентрации ионов кобальта в растворе, электродный потенциал кобальтового электрода станет больше электродного потенциала никелевого электрода, если концентрация ионов никеля составляет 0,00001 моль/л?

447. При какой концентрации ионов водорода в растворе, электродный потенциал водородного электрода равен стандартному электродному потенциалу свинца?

448. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке свинцового аккумулятора?

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

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

Дата добавления: 2015-05-31