- •Общая и неорганическая химия
- •Часть 1 общие вопросы химии
- •Содержание
- •Введение ..………………………………………………………..29
- •7.5 Расчёт концентраций ионов в растворах
- •Основные химические понятия
- •Основные классы неорганических соединений
- •2.1 Введение
- •2.2 Оксиды
- •2.3 Основания
- •2.4 Кислоты
- •2.4.1 Классификация кислот
- •2.4.2 Номенклатура кислот и их солей
- •Продолжение таблицы 2.1
- •2.5 Соли
- •2.5.1 Номенклатура средних, кислых и основных солей
- •2.5.2 Солеобразные оксиды
- •2.5.3 Диссоциация солей в водных растворах
- •Стехиометрические законы химии
- •Типы химических реакций
- •4.1 Введение
- •4.2 Реакции ионного обмена
- •4.3 Окислительно-восстановительные реакции
- •4.3.1 Общие сведения об окислительно-восстановительных реакциях
- •4.3.2 Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций ионно-электронным методом (методом полуреакций)
- •2 Cu(oh)2 Cu2o hcho co2
- •Понятие о химическом равновесии
- •Количественной характеристикой системы в состоянии химического равновесия является константа равновесия k.
- •5.2 Смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье
- •5.3 Основные типы задач на химическое равновесие
- •Общие свойства растворов
- •6.1 Характеристика растворов. Процесс растворения
- •6.2 Способы выражения концентрации растворов
- •Если в формуле (6.1 а) не использовать множитель 100%, то массовая доля будет выражена не в процентах, а в долях единицы.
- •6.3 Растворимость
- •Растворы электролитов
- •7.1 Основные положения теории электролитической диссоциации
- •7.2 Степень диссоциации
- •7.3 Константа диссоциации
- •7.4 Расчёт концентраций ионов в растворах сильных электролитов
- •7.5 Расчёт концентраций ионов в растворах слабых электролитов
- •7.6 Закон разбавления Оствальда
- •7.7 Диссоциация воды. Водородный показатель
- •7.8 Понятие о буферных растворах
- •7.9 Произведение растворимости
- •0,1 Моль/л 0,1
- •7.10 Равновесия в реакциях ионного обмена
- •Гидролиз солей
- •8.1 Общие представления о гидролизе солей
- •8.2 Константа гидролиза
- •8.3 Степень гидролиза соли; её связь с константой гидролиза
- •8.4 Гидролиз солей, образованных многозарядными катионами и анионами
- •8.5 Смещение равновесия гидролиза
- •8.6 Соли, взаимно усиливающие гидролиз друг друга
- •8.7 Кислые гидролизующиеся соли
- •Электрохимические процессы
- •9.1 Понятие об электродном потенциале
- •9.2 Понятие о гальваническом элементе
- •9.3 Теория электродных потенциалов; уравнение Нернста
- •9.4 Окислительно-восстановительные потенциалы и направление протекания окислительно-восстановительных реакций
- •9.5 Электролиз
- •9.5.1 Электролиз расплавов
- •9.5.2 Электролиз водных растворов
- •9.5.3 Применение электролиза в промышленности
- •9.6 Понятие о контактной коррозии металлов
- •Литература
- •Часть 1 Общие вопросы химии
9.3 Теория электродных потенциалов; уравнение Нернста
Равновесный электродный потенциал характеризует равновесие типа Men+ + ne– ⇆ Me, которое возникает при контакте металла с раствором его соли, и, таким образом, является характеристикой равновесной системы. Поэтому более корректно говорить не о потенциале металла, а о потенциале окислительно-восстановительной системы или о потенциале электродного процесса, например, процесса Cu2+ + 2e– ⇆ Cu.
В общем случае для электродного потенциала системы Ox + ne– ⇆ Red (где Ox – окисленная форма, т.е. вещество, принимающее электроны, а Red – восстановленная форма, в которую превращается окисленная форма после присоединения электронов), принято следующее обозначение: . Например, потенциал системы Cu2+ + 2e– ⇆ Cu обозначается .
Обозначение потенциала окислительно-восстановительной системы, как и численное значение потенциала не зависит от того, как записано равновесие: и для записи Zn2+ + 2e– ⇆ Zn, и для записи Zn ⇆ Zn2+ + 2e– обозначение потенциала одно и то же: , поскольку обе эти записи выражают одно и то же состояние равновесия.
Численное значение электродного потенциала зависит от концентрации веществ в растворе, температуры раствора, а если в процессе участвует газообразное вещество, то и давления. Поэтому для сопоставления электродных потенциалов различных процессов, величины потенциалов обычно приводят к стандартным условиям: концентрация участников реакции в растворе – 1 моль/л, температура – 25C (298 K), давление – 1 атмосфера. Электродные потенциалы, характеризующие окислительно-восстановительную систему в стандартных условиях, называются стандартными электродными потенциалами и обозначаются , например, .
Измерение абсолютного значения потенциала, возникающего на границе металл-раствор не представляется возможным. Поэтому для построения численной шкалы электродных потенциалов нужно потенциал какого-нибудь электрода (точнее говоря, электродного процесса) принять равным нулю и относительно него измерять потенциалы других электродов. В качестве такого эталона принят водородный электрод. Водородный электрод представляет собой пластинку из губчатой платины, которая находится в растворе кислоты (например, HCl или H2SO4) и омывается газообразным водородом. Водород хорошо растворяется в платине, при этом молекулы водорода частично распадаются на атомы (платина катализирует этот распад). На поверхности соприкосновения платины с раствором кислоты может протекать окисление атомов водорода или восстановление ионов водорода. Платина при этом не принимает участия в электродных реакциях и играет роль губки, пропитанной водородом. Таким образом, на поверхности водородного электрода протекает процесс 2H+ + 2e– ⇆ H2. Стандартный электродный потенциал этой системы и принят равным нулю.
Для того, чтобы определить стандартный электродный потенциал какого-нибудь металла, например, цинка, относительно водородного электрода, необходимо в стандартных условиях собрать гальванический элемент, в котором один электрод будет металлическим (цинковым), а другой – водородным
Zn ZnCl2 HCl H2 (Pt)
и измерить ЭДС этого элемента:
.
Так как .
Численное значение электродного потенциала системы a Ox + ne– ⇆ b Red в нестандартных условиях рассчитывается по уравнению Нернста:
(9.2а)
или
, (9.2б)
где – электродный потенциал в нестандартных условиях (В);
– стандартный электродный потенциал (В);
R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/моль·K);
T – температура (K);
n – число электронов, участвующих в электродном процессе;
F – число Фарадея (96 500 Кулон/моль);
С(Ox) – концентрация окисленной формы (моль/л);
С(Red) – концентрация восстановленной формы (моль/л);
a, b – стехиометрические коэффициенты в уравнении полуреакции.
При постоянной температуре T = 298 K выражение 2,303RT/F представляет собой постоянную величину равную 0,059 . Поэтому для этих условий уравнение Нернста можно записать в другом виде, более удобном для практического применения: . (9.3)
Уравнение Нернста для металлического электрода, находящегося в равновесии с раствором соли этого металла Men+(раствор) + ne– ⇆ Me (такие электроды называют также электродами первого рода) имеет вид
. (9.4)
Потенциал водородного электрода 2H+ + 2e– ⇆ H2 в условиях, отличающихся от стандартных, также можно рассчитать по уравнению Нернста
, (9.5а)
где p(H2) – давление газообразного водорода.
При нормальном атмосферном давлении p(H2) = 1 атм это уравнение преобразуется к виду: . (9.5б)
Учитывая, что , ; (9.5в)
. (9.5г)
Пример 9.1 Рассчитать потенциал медного электрода в 0,01 М растворе сульфата меди.
Согласно уравнению Нернста для металлического электрода + 0,337 - = 0,278 В.
Пример 9.2 Рассчитать потенциал водородного электрода при pH=7.
Согласно уравнению Нернста потенциал водородного электрода
= -0,059 pH = -0,0597 = -0,41 (В).
Пример 9.3 Рассчитать ЭДС гальванического элемента Даниэля-Якоби в стандартных условиях.
Поскольку условия стандартные, то E = катода - анода =
= - = +0,337 В - (-0,763 В) = 1,1 В.