ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ
Прислано system February 02 2013 06:13:20
Пример. Рассчитать Э.Д.С. гальванического элемента составленного из свинцового и никелевого электрода, помещенных в растворы собственных солей. Концентрация потенциалопределяющих ионов равна: [Ni+2] = 0,01моль/л, [Fe+3] = 0,1 моль/л. Составьте электродные реакции и укажите катод т анод. Решение: Используя уравнение Нернста, рассчитаем значения электродного потенциала, который возникает на каждом электроде. Никелевый электрод: φ0(Ni) = -0,25 в + (0,059в/2) lg 10-2 = -0,25в + ( -2 * 0,0295в) = -0,309 в. Железный электрод φ0(Fe) = -0,037в + (0,059в /3) lg 10-1 = -0,037в + (-1 * 0,0197 )в =-0,056в Э.Д.С.>0, поэтому Е = φ0(Fe) - φ0(Ni) = -0,056 – (-0,309) = -0,253 в. Электродные реакции: анод - Fe+3 + 3e = Fe0 катод - Ni0 – 2е = Ni+2 .
Расширенные новости

7 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ

 

      Электрохимия – наука, которая  изучает химические процессы, проходящие под действием электрического тока, а также процессы, в результате которых энергия химических реакций преобразуется в электрическую энергию.  Примером таких процессов являются электролиз, электрофорез, работа аккумуляторов, гальванических элементов и др. В настоящем практикуме кратко рассматривается два раздела электрохимии – гальванические элементы и направление процессов окисления восстановления.

 

7.1 Гальванический элемент (ГЭ)

      Гальванический элемент – устройство, в котором энергия химических окислительно-восстановительных процессов преобразуется в электрическую энергию.  Как было показано в 1-й части практикума, – реакции окисления- восстановления протекают с участием электронов. Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц,  электронов, ионов. Гальванический элемент состоит из двух электродов - металлических пластин, погруженных в растворы. Металл в растворе собственной соли называется полуэлементом.  Например, медно-цинковый гальванический элемент или элемент Вольта можно представить в виде следующей схемы:

 

                                                                      (металл) Zn (тв) │ раствор  Zn+2  ║ раствор Cu+2Cu(тв) (металл),

                                                                                  Полуэлемент  1                       полуэлемент 2

 

где одной вертикальной чертой │ показана граница раздела твердой и жидкой фаз, а двумя вертикальными чертами ║ - граница раздела двух растворов.  Растворы соединяются между собой солевым мостиком, который обеспечивает электронейтральность растворов. Если два металлических электрода соединить между собой проводником, то цепь замкнется и по внешней цепи пойдет электрический ток, силу которого можно измерить. В зависимости от природы металла и концентрации  ионов,  в растворе на электродах могут протекать следующие процессы:

анод      Ме0    -    ne    Ме +n     окисление

  катод    Ме+n   +  ne      Ме0   восстановление.

В случае элемента Вольта, цинковая пластина является анодом, медная – катодом. Поскольку Zn заряжается отрицательно, а Cu -  положительно, электроны во внешней цепи движутся от цинка к меди.

Электродный потенциал  (φ) - это разность потенциалов между металлом и раствором, содержащим его ионы.

Значение φ электрода зависит от концентрации  ионов металла в растворе и от температуры. Зависимость эта строгая, термодинамическая и выражается уравнением Нернста.

 

       φ   =   φ0(Ме)  +  RT    ln [Ме+n]  =   φ0(Ме)   +   2,303   RT    lg  [Ме+n]  =  φ0(Ме)  +   2,303    0,059  lg [Ме+n] 

                                  nF                                                         nF                                                             n  

 

 φ0 – стандартный электродный потенциал, численно равный потенциалу электрода когда концентрация ионов металла  [Ме+n ] равна  = 1 моль/л;

 R – универсальная газовая постоянная,     Т  К – температура Кельвина; F    число Фарадея;

 n  число электронов, участвующих в электродном процессе;    0,059в =  RT/ F = 8,31* 298 / 96500 (в).

      ЭД.С. (Е)– электродвижущая сила  гальванического элемента рассчитывается как разность потенциалов двух  электродов соединенных между собой.  Э.Д.С. характеризует способность электронов к движению во внешней цепи, поэтому  Э.Д.С > 0.  По  международному соглашению  Э.Д.С. направлена слева направо:  

Е  =  φправый электродφлевый электрод.

Для  элемента Вольта  Е  = φ (анод)  -  φ (катод) = φ (Cu)  -  φ (Zn)   или  в соответствии с уравнением Нернста:

 

Е =   φ0 u)  +  0,059 lg [Cu+2]  -  φ0 (Zn)  -  0,059 lg [Zn+2]  

                              2                                            2

     Стандартный электродный потенциал φ0 (Ме+n )  определяют измерением Э.Д.С. гальванического элемента, составленного из металлического электрода и стандартного водородного электрода, потенциал которого условно принят за ноль. Стандартный водородный электрод представляет собой платиновую пластину, покрытую рыхлой платиновой чернью, которая погружена в раствор серной кислоты, концентрация ионов водорода в котором равна 1 моль/л. Через раствор под давлением 1 атм = 1,03 105 Па пробулькивает газообразный водород.  Этот электрод является обратимым и может функционировать как анод или как катод:

  - как анод                 PtH2  H+  (H2SO4),                                            φ 0  =   0,059  lg   +]2      =   0

       -  как катод              H+  (H2SO4), │ H2 Pt                                                                                  2          Р(H2)

  

     Стандартные электродные потенциалы для всех известных металлов определены и помещены в таблицу. Чем отрицательнее значение стандартного электродного потенциала, тем сильнее выражены восстановительные свойства металла. Используя значения φ0(Ме), можно представить ряд напряжения металлов, причем место каждого металла в этом ряду говорит о восстановительных свойствах металлов.

 

     Пример. Рассчитать Э.Д.С. гальванического элемента составленного из свинцового и никелевого электрода, помещенных в растворы собственных солей. Концентрация потенциалопределяющих ионов равна: [Ni+2] = 0,01моль/л,  [Fe+3] = 0,1 моль/л.  Составьте электродные реакции и укажите катод т анод.

      Решение: Используя уравнение Нернста, рассчитаем значения электродного потенциала, который возникает на каждом электроде. 

 Никелевый электрод:  φ0(Ni)  = -0,25 в +  (0,059в/2) lg 10-2  = -0,25в + ( -2 * 0,0295в) = -0,309 в.

 Железный  электрод   φ0(Fe)  = -0,037в + (0,059в /3) lg 10-1   = -0,037в + (-1 * 0,0197 )в =-0,056в

Э.Д.С.>0, поэтому Е = φ0(Fe)  - φ0(Ni)  = -0,056 – (-0,309)  = -0,253 в.

Электродные реакции: анод  - Fe+3 + 3e = Fe0

                                       катод  - Ni0 – 2е = Ni+2 . 

 

Стандартные электродные потенциалы

Уравнение

процесса

Ео,

вольт

Уравнение

процесса

Ео,

вольт

AI = AI+3 + 3e-

-1,663

Mg =  Mg +2 + 2e-

-2,363

Ba = Ba+2 + 2e-

-2,905

Mn =  Mn +2 + 2e-

-1,179

Be = Be+2 + 2e-

-1,847

Cu = Cu+2 + 2e-

0,337

V = V+2 + 2e-

-1,175

Cu = Cu+ + e-

0,520

H2 = 2H+ + 2e-

0,000

Na = Na+ + e-

-2,714

Bi = Bi+3 + 3e-

0,215

Ni = Ni+2 + 2e-

-0,250

Fe = Fe+3 + 3e-

-0,037

Sn = Sn+2 + 2e-

-0,136

Fe = Fe+2 + 2e-

-0,44

2Hg =  Hg 2+2 + 2e-

0,333

Fe+2 = Fe+3 + e-

0,771

Rb = Rb + + e-

-2,925

Au = Au+3 + 3e-

1,498

Pb = Pb+2 + 2e

-0,126

Au = Au+ + e-

1,692

Pb+2  = Pb+4 + 2e

1,694

Cd = Cd+2 + 2e-

-0,403

Ag = Ag+ + e-

0,799

K = K+ + e-

-2,924

Sr = Sr+2 + 2e-

-2,888

Ca= Ca+2 + 2e-

-2,866

Cr = Cr+3+ 3e-

-0,744

Co = Co+2 + 2e-

-0,277

Cr = Cr+2+ 2e-

-0,913

Co+2 = Co+3 + e-

1,808

Zn = Zn+2 + 2e-

-0,763