Электродный процесс (31) Электродный процесс (32) или (33)

Рис. 2. Схема работы гальванического элемента

Электродвижущая сила Е характеризует способность гальванического элемента совершать электрическую работу:

Е = j К jА (34)

Электрическая работа определяется максимально полезной работой, совершаемой химической реакцией, которая равна изменению изобарно-изотермического потенциала DG:

DG = — nFE, (35)

где n – число электронов.

Известно, что при самопроизвольном процессе DG <0, поэтому величина Е должна быть больше нуля Е >0 и jК > jА.

Величина G связана с константой равновесия реакции соотношениями:

G =-RTlnKравн (36)

G =-2,3RTlgKравн, (37)

где R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/моль·К;

Т – температура.

Гальванические элементы являются первичными (однократно используемыми) химическими источниками тока (ХИТ). Вторичными (многократно используемыми) ХИТ являются аккумуляторы. Процессы, протекающие при зарядке и разрядке аккумуляторов, взаимообратны.

Гальваническиеэлементы, у которых электроды выполнены из одного и того же металла и опущены в раствор своих солей разной концентрации, называются концентрационными. Функцию анода в таких элементах выполняет металл, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, например:

А Zn | ZnSO4|| ZnSO4| Zn K

C1 < C2

Пример 1. Составьте схему гальванического элемента, в основе работы которого лежит следующая реакция: Mg + ZnSO4 « MgSO4 + Zn. Что является катодом и анодом в этом элементе? Напишите уравнения процессов, протекающих на электродах. Рассчитайте ЭДС элемента при стандартных условиях (Т=298 К) и определите, в каком направлении реакция протекает самопроизвольно. Вычислите константу равновесия для токообразующей реакции.

Решение. В таблице находим значения стандартных электродных потенциалов систем Zn/Zn2+ и Mg/Mg2+: j0Zn/Zn2+= -0,76 B, j0Mg/Mg2+= -2,37 B.Поскольку j0Mg/Mg2+0Zn/Zn2+,то магниевый электрод является анодом, а цинковый катодом. Схема гальванического элемента имеет вид:

А Mg | MgSO4 || ZnSO4 | Zn K

На аноде идет процесс окисления:

А Mg – 2ē ® Mg2+

На катоде – восстановление катионов среды:

К Zn2++2ē ® Zn

ЭДС гальванического элемента Е = jК — jА = -0,76-(-2,37) = 1,61 В.

Величина Е >0,следовательно, реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении. По уравнению (37) вычисляем константу равновесия токообразующей реакции:

lgKравн.= .

Потенциируя это уравнение, находим К = 3,5·1054. Поскольку К >> 1, то суммарная реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении и практически необратима.

Пример 2. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из цинкового и серебряного электродов, погруженных в растворы их солей с концентрациями ионов: СZn2+ = 0,1 моль/л, СAg+ = 0,01 моль/л. Укажите катод и анод. Напишите уравнения реакций, протекающих на данных электродах, а также суммарное уравнение реакции в гальваническом элементе. Рассчитайте ЭДС элемента.

Решение. Так как концентрации ионов не равны единице, то вначале рассчитаем потенциалы электродов, используя формулу Нернста. Если в условии задачи отсутствуют значения температуры, то её принимают равной стандартной температуре Т = 298 К. Поэтому будем использовать уравнение (30):

j=j0+ .

Подставим числовые значения в эту формулу, используя данные табл. 6:

jZn/Zn2+= -0,76 + B,

jAg/Ag+= 0,80 + 0,741 B.

Из расчета видно, что jZn/Zn2+< jAg/Ag+.Поэтому цинковый электрод является анодом, а серебряный – катодом.

Схема гальванического элемента:

A Zn | Zn2+ || Ag+ | Ag K

Вычислим ЭДС элемента по формуле (34):

E= jК — jА = 0,741 – (-0,789) = 1,530 B

Теперь запишем электродные реакции.

На аноде идет процесс окисления:

А Zn – 2ē ® Zn2+ ,

а на катоде – восстановления:

К 2Ag+ + 2 ē ® 2Ag.

Складывая уравнения электродных процессов (с учетом числа принимаемых и отдаваемых электронов), получаем суммарное уравнение реакции:

Zn + 2Ag+ ® Zn2+ + 2Ag.

ЗАДАЧИ

161-164. Напишите уравнения катодного и анодного процессов и составьте схему гальванического элемента, при работе которого протекает следующая реакция (см. номер задачи). На основании стандартных электродных потенциалов рассчитайте константу равновесия данной реакции и ЭДС элемента.


задачи
Реакция Ответы
Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu Кр = 2,5·1037; Е = 1,103 В.
Sn + PbCl2 = SnCl2 + Pb Кр = 2; Е = 9·103 В.
Zn + Pb(NO3)2 = Zn(NO3)2 + Pb Кр = 3,5·1021; Е = 0,636 В.
Zn + CdSO4 = ZnSO4 + Cd Кр = 1,56·1012; Е = 0,36 В.

165-169. Постройте график зависимости ЭДС гальванического элемента от логарифма концентрации ионов металла одного из электродов в растворе:

а) 10; б) 1; в) 0,1; г) 0,01; д) 0,001 моль/л, считая концентрацию ионов другого металла постоянной и равной CMe,2. Напишите уравнение суммарной реакции, протекающей в гальваническом элементе. При каких концентрациях ионов элемент работает за счет протекания реакции в прямом направлении?

загрузка…

Ме1 – анод; Ме2 – катод.


задачи
Гальванический элемент СМе,2, моль/л
Sn | Sn2+ || Pb2+ | Pb 0,1
Al | Al3+ || Fe2+ | Fe
Cd | Cd2+|| Ni2+ | Ni 103
Ni | Ni2+ || Cu2+ | Cu
Fe | Fe2+ || Sn2+ | Sn 0,1

170-173.Запишите уравнения электродных реакций и составьте схему гальванического элемента, работа которого выражается уравнением, представленным в таблице. Рассчитайте его ЭДС при Т = 298 К и концентрациях солей С ,в растворы которых опущены электроды. Сделайте вывод о том, в каком направлении возможно самопроизвольное протекание реакции.

Ме1 – анод, Ме2 – катод.


задачи
Реакция С , моль/л С , моль/л Ответы
Fe + 2Ag+ « 2Ag + Fe2+ 0,01 0,1 1,24
Ni + Cu2+ « Ni2+ + Cu 0,1 0,1 0,59
Mg + Pb2+ « Mg2+ + Pb 0,01 2,184
Zn + Ni2+ « Ni + Zn2+ 0,01 0,01 0,513

174-177.Составьте схему гальванического элемента, состоящего из металлов Ме1 и Ме2, погруженных в растворы их солей при концентрациях С ,указанных в таблице. Напишите электронные уравнения катодных и анодных процессов. Рассчитайте ЭДС элемента. Изменится ли величина ЭДС, если концентрацию каждого из ионов понизить в 10 раз?


задачи
Ме1 Ме2 С , моль/л С , моль/л Ответы
Zn Ni 0,01 0,01 0,513 В
Fe Cu 0,1 0,01 0,750 В
Fe Ag 0,001 0,01 1,210 В
Mg Fe 0,01 1,99 В

178.Какой гальванический элемент называется концентрационным? Составьте схему, напишите уравнениякатодного и анодного процессов, вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, опущенных: первый — в 0,01 М, второй – в 0,1 М растворы AgNO3.

Ответ: 0,059 В.

179.Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель был бы катодом, а в другом – анодом.Напишите для каждого из этих элементов уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде,рассчитайте их ЭДС при стандартных условиях. Изменится ли ЭДС, если концентрацию каждого из ионов уменьшить в 10 раз?

180.Железная и серебрянаяпластины соединены внешним проводником и погружены в раствор серной кислоты. Составьте схему данного гальванического элемента и напишите электронные уравнения процессов, происходящих на катоде и аноде.


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *