Тема «Гальванические элементы»

Задание 1

Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной концентрацией 1 моль/л. Какой металл является анодом, какой катодом? Напишите уравнения окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его ЭДС.

Решение:

Схема данного гальванического элемента:

 

(-)Mg | Mg²⁺ || Zn²⁺ | Zn(+)

 

Вертикальная линейка обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две линейки - границу раздела двух жидких фаз - пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний (стандартный электродный потенциал - 2,37 В) стоит в ряду напряжений металлов левее, чем цинк, поэтому он является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

 

Mgº - 2ē = Mg²⁺ (1)

Цинк, потенциал которого - 0,763 В, - катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

 

Zn²⁺ + 2ē = Znº (2)

 

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:

 

Mg + Zn²⁺ = Mg²⁺ + Zn

 

Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода. Так как концентрация ионов в растворе равна 1 моль/л, то ЭДС элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:

 

ЭДС = Еº_Zn²⁺|_Zn - Еº_Mg²⁺|_Mg = -0,763 - (-2,37) = 1,607 В.

 

Задание 2

Определите ЭДС элемента, образованного цинковым электродом, опущенным в 0,1М раствор хлорида цинка и медным электродом, опущенным в 0,1М раствор нитрата меди (II).

Решение: Схема данного гальванического элемента:

 

(-)Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu(+)

 

Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

 

Е = Еº + lg а, где

 

Еº - стандартный электродный потенциал,

n - число электронов, принимающих участие в реакции,

а - активная концентрация гидратированных ионов металла в растворе, моль/л.

Вариант 1.

 

Е (ЭДС) = Е_ок. - Е_вост.

ЕºCu²⁺ | Cu = + 0,337 В (табл.)

ЕºZn²⁺ | Zn = - 0,763 В (табл.)

Е_Zn = Еº_Zn²⁺_{| Zn} + lg а_Zn²⁺

 

Так как коэффициент активности f = 1, поэтому активную концентрацию можно заменить на молярную концентрацию См.

 

Е_Zn = Еº_Zn²⁺_{| Zn} + lg С_Zn²⁺

Е_Zn = - 0,763 + lg 10^-1 = - 0,7925 В.

Е_Сu = Еº_Cu²⁺_{| Cu} + lg С_Cu²⁺ = + 0,337 + 0,0295·(-0,3010) = +0,3458 В.

Е(ЭДС) = Е_ок. - Е_восст. = Е_Cu²⁺|_Cu - Еº_Zn²⁺|_Zn = + 0,3458 - ( - 0,7925) = 1,13 В.

 

Вариант 2. Если количество отданных электронов равно количеству принятых (n_окисл.= n_восст.), то можно использовать объединённое уравнение:

 

Е(ЭДС) = Е⁰ _ок. - Е⁰ _восст. +

Е(ЭДС) = Е⁰ _Cu²⁺|_Cu - Еº_Zn²⁺|_Zn +

Е(ЭДС)= + 0,337-(- 0,763)+0,059/2 lg 0,1/0,1=1,13 В

 

Задание 3

Вычислите ЭДС элемента при температуре 25 ⁰С, который состоит из никелевого электрода, погруженного в 0,5 М раствор сульфата никеля, и медного электрода, погруженного в 0,2 М раствор сульфата меди. Считайте диссоциацию солей полной.

Тема «Электролиз»

 

Задание 1

Как идет электролиз раствора сульфата меди (II)? В течение какого времени нужно проводить электролиз такого раствора при силе тока 10 А, чтобы получить кислород объемом 4, 48 л?

Решение:

Запишем схему электролиза:

 

Катод (-) Р-р CuSO₄ Анод (-)

Cu²⁺ + 2e → Cu⁰ Cu²⁺ + SO₄^2- 2 H₂O - 4e → O₂ + 4H⁺

H₂O 4H⁺ + 2 SO₄^2- → 2 H₂SO₄

CuSO₄ + 2H₂O → 2Cu + O₂ + 2H₂SO₄

 

По закону Фарадея:

 

V=V_э · I · t /F, где

 

V - объем газа, выделившегося при электролизе, л;

V_э - молярный объем эквивалента вещества, л/моль;

I - сила тока, А;

t - продолжительность электролиза, ч или с;

F - число Фарадея, 96500 Кл/моль (если время измерено в секундах)

или 26,8 Кл/моль (если время - в часах)

 

t = V·F/ I· V_э

 

Подставляем значения, зная, что V_э кислорода равен 5,6 л/моль

 

t = 4,48 · 96500 / 10 · 5,6 = 7720 с = 2,1 ч

 

Задание 2

При пропускании тока через разбавленный раствор серной кислоты в течение 10 мин выделился гремучий газ объемом 652,2 мл (при температуре 18 ⁰С и давлении 9,8·10⁴Па). Вычислите силу тока.

Задание 3

При пропускании тока через раствор серебряной соли на катоде выделилось за 10 мин. 1 г серебра. Определите силу тока.

Решение

г-экв. серебра равен 107,9 г. Для выделения 1 г серебра через раствор должно пройти 96500 : 107,9 = 894 кулона. Отсюда сила тока

 

I = 894 / (10 • 60) 1,5A