Мегаобучалка Главная | О нас | Обратная связь

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ. СХЕМА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА. ТОКООБРАЗУЮЩАЯ РЕАКЦИЯ. ЭДС ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА




Самопроизвольно идущий окислительно-восстановительный процесс в определенных условиях может создавать электрическую энергию. Процессы превращения химической энергии в электрическую можно использовать для создания химических источников тока (ХИТ), простейший из которых гальванический элемент.

Гальванический элемент состоит из двух электродов, погруженных в электролиты, которые замыкаются электролитическим ключом.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОДОВ

Металлический электрод - это металл, погруженный в раствор собственной соли, не является инертным, а участвует в электродной реакции. Cхематично такой электрод записывают в виде Ме|Меn+, где вертикальная черта обозначает границу между металлом и раствором. Уравнение Нернста для металлических электродов имеет вид

, (4)

где - концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Окислительно-восстановительный (редокс-) электрод – это инертный металл (токоподвод), погруженный в электролит, содержащий одновременно окисленную и восстановленную формы потенциалопределяющих частиц. В качестве инертного металла чаще всего используют платину Pt. Схематично такой электрод можно записать в виде Pt│Men+, Mem+. На поверхности инертного металла протекает окислительно-восстановительная реакция. Например, для окислительно-восстановительного электрода Pt│Sn4+, Sn2+ такими реакциями могут быть: Sn2+ - 2 ē → Sn4+; Sn4+ + 2 ē → Sn2+

Уравнение Нернста для редокс- систем включает концентрацию обоих катионов и имеет вид

(5)

где [окисл], [восст] – концентрации окисленной и восстановленной форм потенциалопределяющих частиц в полуреакции.

Газовыеэлектроды состоят из инертного металла, который находится в одновременном контакте с газом и раствором, содержащим ионы этого газа. Представителями газовых электродов являются водородный, кислородный, хлорный и другие электроды.

Водородный электрод состоит из платиновой пластинки, покрытой слоем мелкодисперсной платины ("платиновой черни") и погруженной в раствор кислоты, содержащий ионы водорода. Через раствор непрерывно пропускается поток водорода, водород адсорбируется на поверхности платины, и на границе электрод/раствор устанавливается равновесие:



H+(раствор) + ē ↔ ½ H2 (г) .

При давлении водорода, равном 101,3 кПа (1 атм), активности (концентрации) ионов водорода 1 моль/л и Т=298К водородный электрод называется стандартным водородным электродом. Потенциал такого электрода принимается за ноль.

Уравнение Нернста для водородного электрода имеет вид

, (6)

где - стандартный электродный потенциал,

- концентрация ионов водорода в растворе, моль/л

-парциальное давление водорода над раствором, атм. равно 1 атм.

Рассмотрим работу гальванического элемента на примере элемента Даниэля-Якоби. Он представляет собой два сосуда с 1М растворами CuSO4 и ZnSO4, в которые погружены соответственно медная и цинковая пластинки, соединенные проводом. Сосуды соединены между собой трубкой, которая называется солевым мостиком, заполненной раствором электролита (например, KCl). Солевой мостик является электролитическим ключом.

Электрод с меньшим значением потенциала заряжается отрицательно, является анодом. Электрод с большим значением потенциала заряжается положительно, является катодом. На аноде протекает процесс окисления

(отдача электронов), на катоде – процесс восстановления (присоединение электронов).

Гальванические элементы принято записывать в виде схем. Анод со знаком (-) записывают слева, катод со знаком (+) записывают справа. Например, схема медно-цинкового гальванического элемента Даниэля-Якоби может быть представлена таким образом:

ē ē

(-) Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu (+) или (-) Zn|Zn2+||Cu2+|Cu (+)

Одна вертикальная черта на схеме обозначает границу между металлом и раствором электролита, две черты – границу между растворами (солевой мостик).

При замыкании цепи электроны по внешней цепи пойдут от анода к катоду – от цинка к меди. При этом на электродах протекают следующие реакции:

(-) Анод: Zn – 2 ē → Zn2+ реакция окисления

(+) Катод: Cu2+ + 2 ē →Cu реакция восстановления

 

Суммируя процессы на катоде и аноде, получаем уравнение окислительно-восстановительной реакции, за счет которой в гальваническом элементе возникает электрический ток:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu

Такое уравнение называется уравнением токообразующей реакции.

ЭДС гальванического элемента рассчитывают как разность потенциалов катода и анода: Е = ЕкЕа.

Если концентрация ионов в растворе составляет 1 моль/л, то ЭДС называется стандартной. Стандартная ЭДС медно-цинкового элемента при -

Пример 7. Рассчитайте ЭДС свинцово-цинкового гальванического элемента при Т = 298К, в котором [Zn2+]=0,1моль/л и [Pb2+]=0,01моль/л. Укажите знаки полюсов, напишите уравнения электродных процессов, составьте схему гальванического элемента. Укажите направление движения электронов при замыкании цепи.

Решение: ЭДС гальванического элемента рассчитывают как разность

равновесных потенциалов катода и анода: Е= Ек Еа.

Поскольку концентрации потенциалопределяющих ионов отличаются от 1 моль/л, рассчитаем по уравнению Нернста (ур. 4) значения электродных потенциалов цинка и свинца:

Электрод с меньшим значением потенциала является анодом (цинковый электрод). На нем протекает реакция окисления:

(-) А: Zn – 2 ē → Zn2+

Электрод с большим значением потенциала является катодом (свинцовый электрод), на нем протекает реакция восстановления:

(+) К: Pb2+ + 2 ē → Pb

Уравнение токообразующей реакции: Zn + Pb2+ → Zn2+ + Pb.

Схема гальванического элемента: (-) Zn│Zn2+(0,1M)║Pb2+(0,01M)│Pb (+).

Рассчитываем ЭДС гальванического элемента:

Е= Ек Еа =

При замыкании цепи, электроны во внешней цепи пойдут от отрицательно заряженного электрода к положительно заряженному электроду, то есть - от цинка к свинцу.

Пример 8. Для гальванического элемента

Pt│Cr3+ (0,1 моль/л), Cr2+(0,01 моль/л)║Н+(рН=2)│Н2, Pt

рассчитать ЭДС, написать уравнения электродных процессов, составить уравнение токообразующей реакции, указать знаки полюсов. Определить направление движения электронов во внешней цепи.

Решение: данный гальванический элемент составлен из окислительно-

восстановительного и водородного электродов.

Потенциал окислительно-восстановительного электрода рассчитываем по уравнению Нернста:

Стандартный потенциал пары Сr3+/Cr2+ . Подставив данные условия задачи, рассчитаем потенциал окислительно-восстановительного электрода:

.

Второй электрод данного гальванического элемента является водородным электродом. Потенциал его, согласно уравнению Нернста:

Определяем катод и анод. Поскольку окислительно-восстановительный электрод имеет меньший потенциал, то в гальваническом элементе он будет играть роль анода (отрицательный полюс), а водородный электрод – катода (положительный полюс). После замыкания цепи на первом электроде будет протекать анодный процесс окисления, на втором – катодный процесс восстановления:

(-) А : Cr2+ - ē → Cr3+ 2

(+) К: 2 Н+ + 2 ē → Н2

Суммарная токообразующая реакция описывается уравнением

2 Cr2+ + 2 Н+ → 2 Cr3+ + Н2

Электроны при замыкании внешней цепи будут двигаться от отрицательного полюса к положительному: от хромового окислительно-восстановительного электрода к водородному.

ЭДС данного элемента

Пример 9. Какие процессы протекают на электродах в концентрационном гальваническом элементе, имеющем цинковые электроды, если у одного из электродов концентрация ионов цинка Zn2+ равна 1 моль/л, а у другого –

0,0001 моль/л? Какова ЭДС этого элемента? Напишите схему данного ГЭ.

Решение: Концентрационный гальванический элемент состоит из одинаковых электродов, погруженных в растворы своих солей различной концентрации. Определим потенциалы обоих электродов. Так как концентрация ионов цинка

у первого электрода равна 1 моль/л, то потенциал его будет равен стандартному потенциалу цинкового электрода: .

Потенциал второго электрода рассчитаем по уравнению Нернста:

Первый электрод является катодом, на нем после замыкания цепи протекает реакция восстановления (+) К: Zn2+ + 2 ē →Zn

Второй электрод, имеющий меньший потенциал, будет анодом, на нем протекает реакция окисления: (-) А: Zn - 2 ē →Zn2+

Токообразующая реакция в гальваническом элементе будет иметь вид:

Zn + Zn2+→ Zn + Zn2+

Рассчитываем ЭДС элемента: Е = Ек - Еа = - 0,763 –(-0,881) = 0,122 В.

Данный гальванический элемент можно отобразить схемой:

(-) Zn│Zn2+(0,0001 моль/л)║Zn2+(1 моль/л)│Zn (+)

Задания

4.Написать катодный и анодный процессы, уравнение токообразующей реакции и вычислить ЭДС гальванического элемента. Указать полярность электродов.

1. Fe| Fe+2 (1моль/л) || Ag+(0,1моль/л) |Ag

2. Cr| Cr+3 (2 моль/л ) || Cd+2 (1 моль/л )|Cd

3. Be| Be+2 (0,1моль/л) || Ni+2 (0,01моль/л) |Ni

4. Mn| Mn+2 (0,1 моль/л ) || Sn+2 (0,01 моль/л )|Sn

5. Al| Al+3 (2 моль/л ) || Cd+2 (0,1 моль/л )|Cd

6. Ni| Ni+2 (0,1 моль/л ) || Cu+2 (0,01 моль/л )|Cu

7. Mg| Mg+2 (1 моль/л ) || Zn+2 (0,01 моль/л )|Zn

8. Cd| Cd+2 (0,1 моль/л ) || Pb+2 (0,01 моль/л )|Pb

9. Fe| Fe+2 (0,01 моль/л ) || Fe+2 (1 моль/л )|Fe

10. Co|Co+2 (0,5 моль/л ) || Ni+2 (0,5 моль/л )|Ni

11. Zn| Zn+2 (1 моль/л ) || Cu+2 (0,01 моль/л )|Cu

12. Pt,H2|H+ (pH=4) || H+ (pH=2)|H2,Pt

13. Al|Al+3 (1 моль/л ) ||Al+3 (2 моль/л )|Al

14. Mn|Mn+2 (1 моль/л ) || Ni+2 (0,01 моль/л )|Ni

15. Ca|Ca+2 (0,1 моль/л) || Fe+2 (0,01 моль/л )|Fe

16. Pb|Pb+2 (1 моль/л ) || Ag+ (0,1 моль/л )|Ag

17. Be|Be+2 (0,001 моль/л ) || Fe+2 (0,001 моль/л )|Fe

18. Pt|Cr+3 (0,1 моль/л ),Cr+2 (0,1 моль/л) || Fe+3 (0,1 моль/л ), Fe+2 (0,1 моль/л)|Pt

19. Zn|Zn+2(1 моль/л ) || Fe+2 (0,01 моль/л)|Fe

20. Al|Al+3 (2 моль/л ) || Cu+2 (0,01 моль/л)|Cu

21. Be|Be+2 (1 моль/л ) || Cd+2 (0,01 моль/л )|Cd

22. Mn|Mn+2 (0,01 моль/л ) || Fe+2 (0,01 моль/л )|Fe

23. Fe|Fe+2 (1 моль/л ) || Sn+2 (0,01 моль/л)|Sn

24. Mg|Mg+2 (0,1 моль/л ) || Ni+2 (0,01 моль/л )|Ni

25. Ag|Ag+ (0,001 моль/л) || Ag+ (0,1 моль/л )|Ag

26. Fe| Fe+2 (0,005 моль/л ) || Pb+2 (0,005 моль/л )|Pb

27. Ca|Ca+2 (1 моль/л ) || Mg+2 (0,01 моль/л)|Mg

28. Mn|Mn+2 (0,01 моль/л ) || Zn+2 (0,01 моль/л )|Zn

29. Pb|Pb+2 (0,1 моль/л ) ||Cu+2 (0,01 моль/л)|Cu

30. Zn|Zn+2 (10-4 моль/л ) || Sn+2 (10-2 моль/л )|Sn

31. Cd| Cd+2 (10-4 моль/л ) || Cu+2 (10-2 моль/л )|Cu

32. Ni| Ni+2 (0,01 моль/л ) || Ag+ (1 моль/л )|Ag

33. Mg| Mg+2 (0,001 моль/л ) || Mg+2 (1 моль/л )|Mg

34. Ca| Ca+2 (1 моль/л )|| Cr+2 (0,01 моль/л )|Cr

35. Mn|Mn+2 (0,01 моль/л ) || Pb+2 (0,01 моль/л )|Pb

36. Al| Al+3 (2 моль/л ) || Cr+2 (0,01 моль/л )|Cr

37. Be| Be+2 (1 моль/л ) || Sn+2 (0,01 моль/л )|Sn

38. Ni| Ni+2 (1 моль/л )|| Fe+3(2 моль/л )|Fe

39. Pt , H2|H+ (pH=4) || Ag+ (1 моль/л )|Ag

40. Mg| Mg+2 (10-2 моль/л ) || Cu+2 (10-2 моль/л )|Cu

41. Cu| Cu+2 (0,01 моль/л ) || Ag+ (0,1 моль/л )|Ag

42. Ca| Ca+2 (0,01 моль/л ) || Be+2 (1 моль/л )|Be

43. Zn| Zn+2 (0,01 моль/л ) || Ni+2 (1 моль/л )|Ni

44. Al| Al+3 (2 моль/л ) || Fe+2 (0,01 моль/л )|Fe

45. Ca| Ca+2 (1 моль/л ) || Al+3 (0,5 моль/л )|Al

46. Fe| Fe+3 (2 моль/л ) || Cu+2 (0,01 моль/л )|Cu

47. Zn| Zn+2 (1 моль/л ) || Pb+2 (0,01 моль/л )|Pb

48. Sn| Sn+2 (0,01 моль/л ) || Ag+(0,1 моль/л )|Ag

49. Zn| Zn+2 (10-2 моль/л ) || H+(pH=2)|H2,Pt

50. Pt| Sn+4 (0,1 моль/л ),Sn+2 (0,1 моль/л ) || Hg+2 (1 моль/л )|Hg

51. Al| Al+3 (2 моль/л ) || Cd+2 (0,01 моль/л )|Cd

52. Pt|Cr+3(10-2 моль/л ),Cr+2(0,1 моль/л ) || Sn+4 (10-3 моль/л ),Sn+2(0,1 моль/л )|Pt

53. Ni| Ni+2 (0,01 моль/л ) || Pb+2 (0,01 моль/л )|Pb

54. Mg| Mg+2 (10-4 моль/л ) || H+(pH=2)|H2,Pt

55. Cd| Cd+2 (10-2 моль/л ) || Cd+2 (1 моль/л )|Cd

56. Be| Be+2 (10-4 моль/л ) || Zn+2 (10-2 моль/л )|Zn

57. Mn| Mn+2 (1 моль/л ) || Cu+2 (0,1 моль/л)|Cu

58. Ca| Ca+2 (0,01 моль/л ) || Pb+2 (0,01 моль/л )|Pb

59. Sn| Sn+2 (0,01 моль/л ) || Cu+2 (1 моль/л )|Cu

60. Cd| Cd+2 (10-1 моль/л ) || Sn+2 (10-1 моль/л )|Sn

61.Pt|Fe+3(10-2 моль/л ),Fe+2(0,1 моль/л ) || Sn+4(10-2 моль/л ),Sn+2(0,1 моль/л )|Pt

62.Pt|Co+3(10-2 моль/л ), Co+2 (0,1 моль/л ) ||Sn+4 (0,1 моль/л ),Sn+2 (10-2 моль/л )|Pt

63. Pt|Fe+3(0,1 моль/л ), Fe+2(10-2 моль/л ) ||Au+ (10-2 моль/л ), Au+3 (0,1 моль/л )|Pt

 





Читайте также:





Читайте также:

©2015 megaobuchalka.ru Все права защищены авторами материалов.

Почему 3458 студентов выбрали МегаОбучалку...

Система поиска информации

Мобильная версия сайта

Удобная навигация

Нет шокирующей рекламы



(0.014 сек.)