|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
XV. Химические источники электрической энергии.
Электродные потенциалы Если окислительно-восстановительную реакцию осуществить так, чтобы процессы окисления и восстановления были пространственно разделены, и создать возможность перехода электронов от восстановителя к окислителю по проводнику (внешней цепи ), то во внешней цепи возникает направленное перемещение электронов - электрический ток. При этом энергия химической реакции превращается в электрическую. Устройства, в которых происходит такое превращение, называются химическими источниками электрической энергии, или гальваническими элементами. Гальванический элемент состоит из двух электродов (металлов, погруженных в растворы электролитов), сообщающихся друг с другом через пористую перегородку. Электрод, на котором в ходе реакции происходит окисление, называется анодом; электрод, на котором идет восстановление, - катодом. Электродные процессы количественно характеризуются значениями электродных потенциалов. Электродным потенциалом (g, B) называется разность потенциалов так называемого двойного электрического слоя, образующегося на поверхности раздела фаз при погружении пластинки металла в раствор соли этого металла. Причиной возникновения двойного электрического слоя является переход части ионов кристаллической решетки металла (Men+) с поверхности пластинки в раствор под действием полярных молекул воды. При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, заряжают его поверхность отрицательно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в раствор катионами и поверхностью металла, и устанавливается подвижное равновесие. Me « Men++ne
- + “-” электроны - + “+” ионы Men+ - + - + - + - +
р-р соли Me Таким образом, возникает двойной электрический слой, имеющий определенную разницу потенциалов. Значение электронного потенциала, отвечающее стандартным условиям (концентрация раствора электролита 1 моль/л, Т=298 К, Р=1 атм), называется стандартным электродным потенциалом данного металла g 0. Измеряют их в сравнении со стандартным водородным электродом, потенциал которого условно принят равным нулю. Металлы, расположенные в порядке возрастания алгебраической величины g 0 , образуют ряд стандартных электродных потенциалов (справедлив только для водных растворов).
Чем меньше значение g 0 , т.е. чем левее стоит металл в ряду напряжений, тем более сильно выражены восстановительные свойства его атомов и тем слабее - окислительные свойства его ионов. И наоборот. Зависимость электродного потенциала металла от температуры и концентрации его ионов в растворе выражается уравнением Нернста g = g 0 + (0, 059/n) ´ lgC, где g 0 - стандартный электродный потенциал; n- число электронов, принимающих участие в процессе; С- концентрация (при точных вычислениях - активность) ионов металла в растворе, моль/л. Электродвижущая сила Е гальванического элемента определяется как разность двух электродных потенциалов - катода и анода, т. е. из потенциала окислителя g ок. вычитается потенциал восстановителя g в; Е = g ок - g в , g ок всегда больше g в и Е всегда больше нуля. При этом изменение энергии Гиббса окислительно-восстановительной системы, связанное с электродвижущей силой уравнением DG=-nFE, имеет отрицательное значение, что отвечает условию самопроизвольного протекания процесса (F – постоянная Фарадея, равна 96500 Кл/моль). Если ОВР в гальваническом элементе осуществляется в стандартных условиях, то наблюдаемая при этом ЭДС называется стандартной электродвижущей силой Е0 данного элемента.
Примеры решения задач.
Пример 1. Вычислить стандартную ЭДС гальванического элемента с медным и кадмиевым электродами. Составить уравнения электродных реакций, суммарное уравнение реакции. Решение. Используем значения g 0 из ряда напряжений металлов. Кадмий имеет меньший потенциал (-0, 4 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс: Cd-2 e = Cd2+
Cu2+ + 2 e = Cu0 Суммарное уравнение процесса получаем, сложив уравнения катодного и анодного процессов: Cu2+ + Cd0=Cu0+Cd2+ Значение стандартной ЭДС равно разности стандартных электродных потенциалов окислителя и восстановителя: E0=g0ок-g0в=0, 34 -(-0, 4)=0, 74 В Пример 2. Вычислить электродный потенциал цинка в растворе ZnCl2, в котором концентрация ионов Zn2+ составляет 7*10-2 моль/л. Решение. Поскольку концентрация ионов металла отлична от 1 моль/л, то для определения электродного потенциала используем уравнение Нернста g= g0+(0, 059/n)× lg[Zn2+] Здесь n=2 (Zn0-2e=Zn2+), [Zn2+]=7× 10-2 моль/л, g0=-0, 76 В g= -0, 76+(0, 059/2)× lg 7× 10-2=-0, 79 В
Пример 3. Гальванический элемент состоит из металлического цинка, погруженного в 0, 1 м раствор нитрата цинка, и металлического свинца, погруженного в 0, 02 м раствор нитрата свинца. Вычислить ЭДС, написать уравнения электродных процессов, суммарное уравнение, составить схему элемента и указать направление тока. Решение. Рассчитываем значение g по уравнению Нернста: g0Zn=-0, 76 В; g0Рв=-0, 13В gZn= -0, 76+(0, 059/2)× lg0, 1= -0, 76+0, 030(-1)=-0, 79 В gРb= -0, 13+(0, 059/2)× lg0, 02=-0, 13+0, 030(-1, 7)=-0, 18 В Находим ЭДС элемента: Е=gРb-gZn=-0, 18-(-0, 79)=0, 61 В Поскольку gРb> gZn, то на свинцовом электроде будет происходить восстановление, т.е. он будет служить катодом:
на цинковом электроде будет протекать процесс окисления: Zn0-2e=Zn2+, т.е. он будет служить анодом. Суммарное уравнение реакции: Рb2+ + Zn0 = Рb0 +Zn2+ Cхема гальванического элемента имеет вид
Двойная черта обозначает границу раздела двух жидких фаз, две одиночные черты- поверхности раздела между металлом и раствором. Ток идет от цинковой пластинки к свинцовой.
Задачи
151. Вычислите электродные потенциалы положительного и отрицательного электродов и ЭДС гальванического элемента. - Zn½ ZnSO4 ½ ½ CuSO4 ½ Cu + 2, 0М 1, 0М Составьте уравнения электродных процессов, суммарное уравнение. Укажите направление тока. 152.* - Zn ½ ZnCl2 ½ ½ NiSO4 ½ Ni + 2, 0 н 2, 0М 153.* - Zn½ ZnSO4 ½ ½ ZnSO4 ½ Zn + 0, 01М 2, 0 М 154.* -Ni ½ NiSO4 ½ ½ AgNO3 ½ Ag + 0, 1н 1, 0н 155.* - Сd ½ CdSO4 ½ ½ SnSO4 ½ Sn + 0, 1М 1, 0 М 156.* - Fe ½ FeSO4 ½ ½ CuSO4 ½ Cu + 0, 002н 0, 1М 157.* - Sn ½ SnSO4 ½ ½ AgNO3 ½ Ag + 0, 02н 1, 0н 158.* - Fe ½ Fe2 (SO4)3 ½ ½ CuSO4 ½ Cu + 0, 03н 2, 0 М 159.* - Cd ½ CdSO4 ½ ½ CuSO4 ½ Cu + 0, 01 М 2, 0 М 160.* - Cu ½ CuSO4 ½ ½ AgNO3 ½ Ag + 0, 02н 2, 0н * См. условие задачи 151. |
Последнее изменение этой страницы: 2019-05-17; Просмотров: 291; Нарушение авторского права страницы
Me 
- + 
Медь, потенциал которой 0, 34 В, - катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс: 
Рb2++2 е=Рb0, 
- Zn ½ Zn (NО3)2 (0, 1 м)½ ½ Рb (NO3)2 (0, 02 м)½ Рb +