Задачи 101  120

Для реакций, схемы которых указаны ниже, составьте уравнения методом электронного баланса. Укажите типы реакций. Для каждой реакции укажите, какое вещество является окислителем, какое - восстановителем и почему.

С х е м ы р е а к ц и й

101.

102.

103.

104.

105.

106.

107.

108.

109.

110.

111.

112.

113.

114.

115.

116.

117.

118.

119.

120.

Тема 7. Электродные потенциалы и электродви­жущие силы

Литература: [1] c. 260-278, 300-310; [2] с. 272-293; [3] c.219-224

Теоретические основы

При контакте поверхности металла с водным раствором соли определённая часть катионов металла под действием полярных молекул воды в гидратированном виде переходит из металлической фазы в раствор. На границе раздела фаз «металл ─ раствор» устанавливается динамическое равновесие:

При этом металл заряжается отрицательно, если преобладал процесс перехода ионов металла в раствор, или положительно, если преобладал процесс осаждения этих ионов на поверхности металла. Металлический проводник, погружённый в раствор электролита, называется электродом. Разность потенциалов, которая возникает на границе между металлом и водным раствором в состоянии равновесия, называется равновесным электродным потенциалом.

Абсолютные значения электродных потенциалов измерить нельзя. Обычно определяют относительные потенциалы металлов, принимая условно за нуль значение потенциала водородного электрода. Разность потенциалов между металлом, погружённым в раствор своей соли с концентрацией ионов металла 1 моль/л, и стандартным водородным электродом, называется стандартным электродным потенциалом металла (^о).

Если расположить металлы в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, то получим ряд напряжений металлов. Положение металла в ряду напряжений характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях. Из ряда напряжений металлов (приложение 3) вытекают следствия:

1. Каждый предыдущий металл в ряду напряжений вытесняет расположенный за ним металл из растворов солей.

2. Только металлы с отрицательными значениями потенциалов способны вытеснять водород из его соединений.

3. Чем левее (раньше) в ряду напряжений находится металл, тем легче он отдаёт электроны (электрохимически активнее) и тем труднее восстанавливаются его ионы до атомов.

4. В гальваническом элементе анодом служит тот металл, который в ряду напряжений характеризуется наиболее отрицательным потенциалом, т.е. более активный металл.

Величина электродного потенциала зависит от природы металла, температуры и концентрации раствора электролита. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

, где

• – электродный потенциал металла, В;

 ^о – стандартный электродный потенциал металла, В;

R – универсальная газовая постоянная ();

Т – температура, К;

n – валентность иона металла;

F – число Фарадея ();

С – концентрация ионов металла в растворе, моль/л (моль/л ≡ M).

При подстановке в формулу Нернста всех констант и стандартной температуры (298 К) она приобретает вид:

При С = 1 моль/л равновесный потенциал становится равным стандартному:  = ^о. Формулу Нернста можно применять только к металлам, погружённым в растворы своих солей.

Гальваническим элементом (ГЭ) называется устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в энергию электрического тока. Гальванический элемент представляет собой систему из двух электродов, растворы электролитов которых сообщаются. На границах металлов и растворов устанавливаются разные электродные потенциалы. При замыкании цепи электроны перемещаются по внешнему её участку от электрода с меньшим потенциалом к электроду с большим потенциалом. На первом электроде идёт процесс окисления:

.

Этот электрод, который в процессе работы ГЭ окисляется и посылает электроны во внешнюю цепь, называется анодом.

На втором электроде, называемом катодом, происходит восстановление катионов, присутствующих в растворе электролита:

.

Металл Me₂ осаждается на катоде. Анод в гальванических элементах имеет знак минус, катод - плюс.

Электродвижущая сила (ЭДС, или Е) рассчитывают по формуле:

ЭДС =  _К - _А,

где _К и _А - электродные потенциалы катода и анода, соответственно.

Пример. Рассмотрим работу гальванического элемента, составленного из медного и цинкового электродов, погруженных в раствор соответствующих сульфатов с концентрациями:

С(CuSO₄) = 0,01 моль/л и С(ZnSO₄) = 0,1 моль/л.

Решение. Краткая схема данного гальванического элемента:

Вертикальная часть обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две черты - границу раздела двух жидких фаз - пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита, которую называют солевым мостиком). Значения стандартных электродных потенциалов меди и цинка:

^о_Сu = + 0,34 B, ^о_Zn = - 0,76 B (см. приложение 3).

Следовательно, цинковый электрод вданном ГЭ является анодом, а медный – катодом. Цинк отдаёт электроны, то есть окисляется, и его ионы переходят в раствор. На катоде происходит восстановление ионов меди. Уравнения электродных процессов:

А)

К)

Суммарное уравнение реакции, которое служит источником электрической энергии в медно-цинковом гальваническом элементе, имеет вид: .

Подобного рода источники тока называются гальваническими элементами Якоби-Даниэля. Полная схема рассматриваемого ГЭ записывается следующим образом:

е^-

V

A^- SO₄^2- K⁺

Zn Cu

раствор ZnSO₄ раствор CuSO₄

Для определения электродвижущей силы вычислим сначала электродные потенциалы меди и цинка по уравнению Нернста:

Электродвижущая сила:

.

Задачи 101  120

Составьте полную схему гальванического элемента, напишите уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС. Необходимые для решения данные приведены в табл. 6.

Таблица 6

N задачи	Металл 1	Металл 2	Электро-лит 1		Концентра ция электролита 1		Электро-лит 2		Концентра-ция электролита 2
121	Ag	Ag			1,0 M				0,001 M
122	Cu	Mg			0,1 M				0,1 M
123	Zn	Ni			0,1 M				0,1 M
124	Zn	Zn			1,0 M				0,01 M
125	Cr	Cu			0,1 M				0,1 M
126	Mg	Cu			0,1 M				0,1 M
127	Zn	Pb			0,01 M				0,01 M
128	Cd	Ni		0,1 M				0,1 M
129	Ni	Pb		0,1 M				1,0 M
130	Cu	Cu		0,1 M				0,001 M
131	Zn	Fe		0,1 M				0,1 M
132	Mg	Cd		0,01 M				0,1 M
133	Fe	Ag		0,1 M				0,1 M
134	Co	Cu		0,01 M				0,001 M
135	Fe	Ni		0,1 M				0,1 M
136	Zn	Ag		0,1 M				0,01 M
137	Cu	Ni		0,1 M				1,0 M
138	Fe	Cu		0,01 M				0,1 M
139	Pb	Mg		0,1 M				0,1 M
140	Ni	Co		1,0 M				0,1 M