8. Электрохимия
.pdfРешение:
Электродная реакция может быть записана следующим образом:
Cd2+ + 2ē → Cd
Количество электронов, участвующих в данной электродной реакции n=2 Равновесный электродный потенциал рассчитываем по уравнению
Нернста:
0 RTzF ln aCd2
0, 403 8,314 303 ln 0,015 0, 4578B 2 96485
Задание 1
Рассчитайте потенциалы электродов при следующих условиях. Средние коэффициенты активности взять из справочника.
№№ |
электрод |
условия |
№№ |
электрод |
условия |
|
|
|
|
|
|
1–1 |
Cu2+/Cu |
m=0,1; t = 35ºC |
1–6 |
Ni2+/Ni |
m=0,05; t = 30ºC |
1–2 |
Cu2+/Cu |
m=1; t = 30ºC |
1–7 |
Cd2+/Cd |
m=0,1; t =25ºC |
1–3 |
Zn2+/Zn |
m=0,01; t=20ºC |
1–8 |
Cd2+/Cd |
m= 1; t=32ºC |
1–4 |
Zn2+/Zn |
m=0,1; t =28ºC |
1–9 |
Ag+/Ag |
m=0,1; t =25ºC |
1–5 |
Ni2+/Ni |
m= 1; t =25ºC |
1–10 |
Ag+/Ag |
m=0,01; t = 30ºC |
Задача №2
Рассчитать ЭДС гальванического элемента, составленного из полуэлементов Zn2+/Zn и Cu2+/Cu при температуре 20ºС, если активности ионов цинка и меди равны 0,1 и 0,05 соответственно.
Решение. |
|
Zn2+ + 2ē → Zn |
φº Zn2+/Zn = – 0,763В, |
Cu2+ + 2ē → Cu |
φº Cu2+/Cu = 0,337В. |
Уравнение окислительно-восстановительной реакции записывается следующим образом:
Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+,
следовательно, ЭДС гальванического элемента может быть рассчитана на основе уравнения Нернста по формуле:
E = E |
|
|
|
RT |
ln |
a |
Cu |
2+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
0 |
|
zF |
aZn2+ |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ãäå E |
0 |
0 |
2 |
|
|
0 |
2 |
|
|
0,337 ( 0,763) 1,1B |
||||||
|
|
|
Cu |
|
/ Cu |
|
|
Zn |
|
/ Zn |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
z=2, T=293K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
E = 1,1+ |
|
8,314 293 |
ln |
0,05 |
|
1,0913B |
||||||||||
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
2 96500 |
0,1 |
|
|
Задание 2
Рассчитайте ЭДС гальванического элемента при следующих условиях:
№№ |
Электрод1 |
а1 |
Электрод2 |
а2 |
Т0С |
2–1 |
Cu2+/Cu |
0,10 |
Cd2+/Cd |
0,15 |
20 |
2–2 |
Zn2+/Zn |
0,01 |
Cu2+/Cu |
0,10 |
30 |
2–3 |
Ni2+/Ni |
1,00 |
Cu2+/Cu |
0,01 |
35 |
2–4 |
Ag2+/Ag |
0,10 |
Zn2+/Zn |
1,00 |
25 |
2–5 |
Cu2+/Cu |
0,10 |
Cu2+/Cu |
0,01 |
30 |
2–6 |
Zn2+/Zn |
1,00 |
Zn2+/Zn |
0,15 |
25 |
2–7 |
Cd2+/Cd |
0,10 |
Cd2+/Cd |
1,00 |
30 |
Задача №3
Как должен быть составлен гальванический элемент, чтобы в нём протекала следующая химическая реакция:
2Ag + Hg2Cl2 = 2AgCl + 2Hg.
Чему равна стандартная ЭДС элемента?
Решение.
При работе гальванического элемента серебро окисляется, а ртуть
восстанавливается:
Ag – ē → Ag+
Hg22+ + 2ē → 2Hg
Следовательно, хлорсеребряный электрод – отрицательный, а каломельный – положительный. Гальванический элемент можно записать следующим образом:
Ag/AgCl,KCl//KCl,Hg2Cl2/Hg.
Стандартные потенциалы электродных реакций:
φ0Ag+/Ag = 0,222B φ0Hg22+/Hg = 0,268B.
Стандартная ЭДС гальванического элемента:
Е0 = 0,268 – 0,222 = 0,046В
Задание 3.
Составьте гальванический элемент, чтобы в нём протекали следующие реакции и рассчитайте его ЭДС в стандартных условиях.
№№ |
реакция |
№№ |
реакция |
|
|
|
|
3–1 |
Mn + NiCl2 →MnCl2 + Ni |
3–5 |
CuCl2 + H2→ Cu + 2HCl |
|
|
|
|
3–2 |
Pb + CuSO4 → PbSO4 + Cu |
3–6 |
Zn +H2SO4→ ZnSO4 + H2 |
|
|
|
|
3–3 |
Zn + CdSO4→ Cd + ZnSO4 |
3–7 |
Cd + CuCl2→CdCl2 + Cu |
|
|
|
|
3–4 |
Zn + CuSO4→ Cu + ZnSO4 |
3–8 |
Cu+AgNO3→Cu(NO3)2+Ag |
|
|
|
|
Задача №4
Написать химическую реакцию, протекающую в данном гальваническом элементе в стандартных условиях:
Pt/H+,MnO4– ,Mn2+ //Co3+,Co2+ /Pt.
Решение:
В таблице стандартных потенциалов находим потенциалы электродных реакций:
MnO4- +8H+ + 5ē → Mn2+ +4H2O |
φ° = 1,51B, |
Co3+ + ē → Co2+ |
φ° = 1,81B. |
Следовательно на левом электроде будет происходить окисление Mn2+, а на правом – восстановление Co3+ .
Тогда протекающая в элементе реакция запишется следующим образом:
5Co3+ + Mn2+ +4H2O = 5Co2+ +8H+ + MnO4-
Задание 4.
Написать химическую реакцию, протекающую в указанном гальваническом элементе и рассчитать его ЭДС в стандартных условиях.
№ |
Гальванический элемент |
№ |
Гальванический элемент |
4–1 |
Cd/CdSO4//H+/H2,Pt |
4–5 |
Mn/MnSO4//CoCl2/Co |
4–2 |
Pt,H2/HCl//CuCl2/Cu |
4–6 |
Zn/ZnSO4//H+/H2,Pt |
4–3 |
Zn/ZnSO4//KCl/AgCl/Ag |
4–7 |
Ag/AgCl,HCl//CuSO4/Cu |
4–4 |
Ni/NiCl2//AgNO3/Ag |
4–8 |
Ni/NiSO4//HCl,AgCl/Ag |
Задача №5.
Рассчитать активность ионов кобальта, если при температуре 298К ЭДС гальванического элемента Co/CoSO4//H+/H2,Pt составляет 0,25В.
Решение:
В гальваническом элементе протекает реакция:
2H+ + Co → H2 +Co2+.
Кобальтовый электрод является отрицательным, а водородный – положительным.
Тогда ЭДС гальванического элемента:
E = φ°+ – φ–
φ– = φ°+ – E φ°+ = 0
φ– = –E
φ(Co2+/Co) = – E = – 0,25B
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
RT |
ln a |
|
|
|
|
|
|
|
Co |
2 |
/ Co |
2 |
/ Co |
|
Co |
2 |
|
|
|
|
||||||
|
|
Co |
|
|
zF |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Решая данное уравнение относительно aCo2+,получаем: |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
aCo2+ = 8,268моль/л |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Задание 5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Рассчитать активности ионов металла в растворе, если известны |
|||||||||||||
потенциалы электродов. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
№№ |
|
|
|
электрод |
№№ |
|
электрод |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
5–1 |
|
|
2+ |
|
|
5–5 |
|
2+ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
φ Сd |
/Cd = – 0,393B |
|
φ Co |
/Co = – 0,215B |
||||||
|
|
|
|
|
5–2 |
|
|
2+ |
|
|
5–6 |
|
φ Fe |
2+ |
|||
|
|
|
|
|
|
|
φ Zn |
/Zn = – 0,706B |
|
/Fe= – 0,384B |
|||||||
|
|
|
|
|
5–3 |
|
|
2+ |
|
|
5–7 |
|
φ Pb |
2+ |
|||
|
|
|
|
|
|
|
φ Zn |
/Zn = – 0,356B |
|
/Pb= – 0,113B |
|||||||
|
|
|
|
|
5–4 |
|
|
2+ |
/Ni = – 0,220B |
5–8 |
|
|
+ |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
φNi |
|
φ Ag /Ag = 0,810B |
Задача №6:
Рассчитать произведение растворимости хлорида меди при Т = 298К,
если стандартный потенциал электрода Cl–/CuCl/Cu φ0Cl-/CuCl/Cu = 0,137В, а стандартный потенциал медного электрода φ0Cu2+/Cu =0,521 В.
Решение:
На электроде протекает реакция:
CuCl + ē → Cu + Cl–
Стандартный потенциал электрода второго рода:
Co2 / Co Co0 2 / Co RTzF ln aCo2
0 |
|
|
|
|
RT |
ln a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
/ Cu |
|
Cu |
+ |
|
|
|
|
|
||||||||
Cu |
|
|
zF |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Ï Ð = a |
|
|
+ a |
|
|
, a |
|
|
+ = |
Ï Ð |
|
|
|||||
Cu |
Cl |
Cu |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
aCl |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
RT |
ln |
Ï Ð |
0 |
|
|
|||||||
|
/ Cu |
|
|
|
/ Cu |
||||||||||||
Cu |
|
|
zF |
aCl |
Cu |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
èëè
Cl0 / CuCl / Cu RTzF ln aCl ,
Cl0 / CuCl / Cu Cu0 / Cu RTzF ln Ï Ð
Из последнего соотношения
числовые значения: lnПР = –14,94,
ПР = 3,19·10–7
RTzF (ln Ï Ð ln aCl )
выражаем значение ПР и подставляем
Задание 6.
Рассчитать ПР соединений, если известны потенциалы электродов второго рода.
№№ |
соединение |
электрод |
φ0, В |
6–1 |
AgCl |
Cl–/AgCl/Ag |
0,222 |
6–2 |
PbSO4 |
SO42–/PbSO4/Pb |
– 0,351 |
6–3 |
Hg2SO4 |
SO42–/Hg2SO4/Hg |
0,615 |
6–4 |
CuCl |
Cl–/CuCl/Cu |
0,153 |
6–5 |
Hg2Cl2 |
Cl–/Hg2Cl2/Hg |
0,268 |
6–6 |
PbI2 |
I–/PbI2/Pb |
– 0,365 |
6–7 |
ZnS |
S2–/ZnS/Zn |
– 1,405 |
6–8 |
Ni(OH)2 |
OH–/Ni(OH)2/Ni |
– 0,720 |
34