VI. 2. Электродные потенциалы, электродвижущие силы
Химические источники тока
Типовые задачи и их решение
1.Записать схему гальванического элемента (ГЭ), составленного из пластинок магния и никеля, опущенных в растворы своих солей при стандартных условиях. Написать электрохимические уравнения процессов, происходящих на электродах во внутренней цепи, и суммарную токообразующую реакцию. Вычислить: стандартное напряжение гальванического элемента (ЭДС), используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
Решение. По таблице 5 находим стандартные потенциалы металлов:
φоMg2+/Mg = –2,36 В; φоNi2+/Ni = –0,25 В. Значение стандартного электродного потенциала магния меньше (на схеме ГЭ это отмечено знаком минус), чем никеля (на схеме ГЭ стоит знак плюс). Следовательно, магний легче отдает свои электроны, т.е. он является более активным металлом и в гальваническом элементе выступает во внутренней цепи в качестве анода. Электроны во внешней цепи будут переходить по проводнику от магния к никелю.
Схема гальванического элемента (внешняя цепь) будет иметь вид (в ионной форме):
(–) Mg / Mg2+ // Ni2+ / Ni (+).
Электрохимические уравнения (уравнения полуреакций) процессов, происходящих на электродах (во внутренней цепи):
на аноде (А): Mg – 2e = Mg2+,
электрод, на котором протекает окисление, называется анодом;
на катоде (К): Ni2+ + 2e =Ni,
электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом.
Суммарное ионное уравнение токообразующей реакции, протекающей во внутренней цепи ГЭ: Mg + Ni2+ = Mg2+ + Ni.
В молекулярной форме: Mg + NiSO4 = MgSO4 + Ni.
При работе гальванического элемента электроны от восстановителя (магний) переходят к окислителю (ионы никеля Ni2+) по внешней цепи. В растворе наблюдается движение анионов, например, SO42−, в обратном направлении.
Стандартное напряжение гальванического элемента (электродвижу-щая сила – ЭДС) определяется разницей стандартных электродных потенциа-лов:
εo = φоокислителя – φовосстановителя.
Подставляем значения и вычисляем стандартное напряжение гальва-нического элемента:
εо = (–0,25) – (–2,36) = 2,11 В.
Рассчитаем изменение энергии Гиббса DGо (298) реакции по формуле:
DGо (298) = – z ∙ F ∙ εo,
где z – число отданных или принятых электронов (НОК – наименьшее общее кратное);
F – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл.
Подставляем значения:
DGо (298) = – 2 ∙ 96500 ∙ 2,11 = – 407230 Дж = – 407,23 кДж.
Отрицательное значение DGо (298) свидетельствует о возможности протекания токообразующей реакции в ГЭ слева направо.
Вычислим константу равновесия токообразующей реакции (Кс):
DGо (298) = – R ∙ T ∙ ln Кс = – R ∙ T ∙ 2,303 ∙ lg Кс.
Откуда
DGо (298) (– 407230)
2,303 ∙ R ∙ T 2,303 ∙ 8,314 ∙ 298
Кс = 1071.
Поскольку константа равновесия показывает, во сколько раз скорость прямой реакции превышает скорость обратной реакции, то равновесие в токообразующей реакции сильно смещено вправо.
2. Вычислить напряжение гальванического элемента, состоящего из цинкового электрода, погруженного в 0,01 М раствор ZnSO4, и водородного электрода, опущенного в раствор Н2SO4 с рН = 3. Написать схему ГЭ и электрохимические уравнения процессов, происходящих на электродах во внутренней цепи.
Решение. По таблице 5 находим стандартные потенциалы цинка и водорода: φoH+/H = 0 В; φoZn2+/Zn = –0,76 В. Цинк имеет меньшее значение стандартного потенциалы, следовательно, он будет во внутренней цепи анодом.
Cхема гальванического элемента (внешняя цепь):
(–) Zn / ZnSO4 // Н2SO4 / Н2, Pt (+).
Электрохимические уравнения электродных процессов (внутренняя цепь):
А: Zn – 2e = Zn2+;
К: 2Н+ + 2е = Н2.
Суммарное ионное уравнение токообразующей реакции:
Zn + 2Н+ = Zn2+ + Н2.
Молекулярное суммарное уравнение токообразующей реакции:
Zn + Н2SO4 = ZnSO4 + Н2
Определяем электродные потенциалы, используя формулу Нернста:
0,059
n
φoH+/H = 0, тогда, формула Нернста для водородного электрода примет вид:
φ = – 0,059 ∙ рН.
φ H+/H = –0,059 ∙ 3 = –0,18 В.
Для цинка:
φ Zn2+/Zn = φoZn2+/Zn + (0,059 / 2) ∙ lg10–2 = –0,76 – 0,059 = –0,82 В.
Напряжение ГЭ:
ε = φ H+/H – φ Zn2+/Zn = –0,18 – (–0,82) = 0,64 В.
Таблица 5
Ряд напряжений.
Стандартные электродные потенциалы металлов (φо)
| Электрод | φо; В | Электрод | φо; В |
| Li+/Li | –3,045 | Co2+/Co | –0,277 |
| К+/К | –2,924 | Ni2+/Ni | –0,250 |
| Cs+/Cs | –2,923 | Mo3+/Mo | –0,200 |
| Ba2+/Ba | –2,905 | Sn2+/Sn | –0,136 |
| Са2+/Ca | –2,866 | Pb2+/Pb | –0,126 |
| Na+/Na | –2,714 | Fe3+/Fe | –0,037 |
| Mg+/Mg | –2,363 | 2Н+/Н2о | 0,000 |
| Sc3+/Sc | –2,077 | Вi3+/Bi | 0,215 |
| Be2+/Be | –1,847 | Re3+/Re | 0,300 |
| Аl3+/Al | –1,662 | Сo3+/Co | 0,330 |
| Тi2+/Тi | –1,630 | Сu2+/Cu | 0,337 |
| Мn2+/Mn | –1,180 | Hg22+/2Hg | 0,788 |
| Nb3+/Nb | –1,100 | Ag+/Ag | 0,799 |
| Cr2+/Cr | –0,913 | Os2+/Os | 0,850 |
| Zn2+/Zn | –0,763 | Hg2+/Hg | 0,850 |
| Cr3+/Cr | –0,744 | Pd2+/Pd | 0,987 |
| Ga3+/Ga | –0,530 | Рt2+/Pt | 1,188 |
| Fe2+/Fe | –0,440 | Au3+/Au | 1,498 |
| Cd2+/Cd | –0,403 | Au+/Au | 1,700 |
Контрольные задания
1.Составить схему гальванического элемента, в котором происходит реакция: Cu + 2AgNO3 = Cu(NO3)2 + 2Ag. Записать электрохимические уравнения процессов, происходящие на электродах при работе данного гальванического элемента. Определить его стандартное напряжение (ЭДС), используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
2.Составить схему гальванического элемента, состоящего из магниевой и железной пластинок, опущенных в 0,1 М раствор MgSO4 и 1 М раствор FeSO4 соответственно. Определить напряжение (ЭДС) данного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80). Записать уравнения электродных процессов и суммарную токообразующую реакцию.
3.Составить схему гальванического элемента, состоящего из алюминиевого и хромового электродов, опущенных в 0,001 М раствор AlCl3 и 1 М раствор CrCl3. Записать электрохимические уравнения процессов, происходящих на электродах при работе этого гальванического элемента. Определить его напряжение (ЭДС), используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80).
4.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Мg + SnCl2 = MgCl2 + Sn. Написать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
5.Составить схему гальванического элемента, в котором никель являлся бы анодом во внутренней цепи. Написать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80),
DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
6.Составить схему гальванического элемента, в котором имеются следующие компоненты: Cu; 0,01 М раствор NiSO4; 1 М раствор CuSO4; и Ni. Написать уравнения электродных процессов. Определить напряжение (ЭДС) данного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80).
7.Составить схему гальванического элемента, образованного кадмиевым электродом, погруженным в 0,01 М раствор CdSO4 и медным электродом, опущенным в 0,1 М раствор CuSO4. Записать уравнения электродных процессов. Определить его напряжение (ЭДС), используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80).
8.Составить схему гальванического элемента, при работе которого происходит токообразующая реакция: Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2. Какие процессы протекают на электродах, при его работе? Определить стандартное напряжение (ЭДС) данного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
9.Составить схему гальванического элемента, состоящего из следующих компонентов: Ni; Ag; 0,01 М раствор Ni(NO3)2 и 0,1 М раствор AgNO3. Записать уравнения электродных процессов. Определить напряжение (ЭДС) данного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80).
10.Составить схему гальванического элемента, состоящего из цинкового электрода, опущенного в раствор ZnSO4 0,01М, и никелевого электрода, погруженного в раствор NiSO4 0,1 М. Написать уравнения электродных процессов. Определить напряжение (ЭДС) данного гальванического элемента.
11.Имеется схема гальванического элемента:
Pt, H2 / раствор с рН = 5 // 0,01 М раствор MnSO4 / Mn. Определить: электродные потенциалы каждого полуэлемента при указанных концентрациях, катод и анод во внешней цепи данного гальванического элемента. Написать уравнения электродных потенциалов и рассчитать напряжение (ЭДС) гальванического элемента.
12.Составить схему гальванического элемента, состоящего из водородного электрода, опущенного в 0,01 М раствор Н2SO4 и кобальтового электрода, опущенного в 1 М раствор СоSO4. Записать электрохимические уравнения процессов, происходящих на электродах, при работе данного гальванического элемента. Определить его напряжение (ЭДС).
13.Составить схему гальванического элемента, состоящего из магниевого электрода, опущенного в 0,1 М раствор MgSO4 и кадмиевой пластинки, помещенной в 0,01 М раствор СdSO4. Записать уравнения электродных процессов. Определить напряжение (ЭДС) гальванического элемента.
14.Составить схему гальванического элемента, состоящего из следующих компонентов: Zn; Pb; 1 М раствор Zn(NO3)2 и 0,01 М раствор Pb(NO3)2. Записать уравнения электродных процессов и суммарную токообразующую реакцию. Определить напряжение (ЭДС) гальванического элемента.
15.Составить схему гальванического элемента, в котором никель является катодом во внутренней цепи. Записать уравнения электродных процессов и суммарную токообразующую реакцию. Рассчитать стандартное напряжение (ЭДС) гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
16. Составить схему гальваничекого элемента, состоящего из водородного электрода, погруженного в водный раствор с рН = 4 и марганцевого электрода, находящегося в 0,1 М водном растворе MnSO4. Записать уравнения электродных процессов, суммарную токообразующую реакцию. Определить напряжение (ЭДС) ГЭ.
17.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Ni + 2AgNO3 = Ni(NO3)2 + 2Ag. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение ГЭ (ЭДС), используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
18. Составить схему гальванического элемента, состоящего из магниевого электрода, опущенного в 0,1 М раствор MgCl2 и оловянного, погруженного в 0,01 М раствор SnCl2. Записать уравнения электродных процессов и токообразующей реакции. Определить напряжение (ЭДС) ГЭ.
19.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Bi(NO3)3 + Al = Al(NO3)3 + Bi. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
20.Составить схему гальванического элемента, состоящего из никелевого электрода, погруженного в 0,001 М раствор NiSO4, и медного электрода, опущенного в раствор CuSO4 0,01 М. Написать уравнения электродных процессов. Определить напряжение (ЭДС) гальванического элемента.
21.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: 2AgNO3 + Ni = Ni(NO3)2 + 2Ag. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
22.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: 3AgNO3 + Al = Al(NO3)3 + 3Ag. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
23. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: 2AgNO3 + Mg = Mg(NO3)2 + 2Ag. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
24.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Mn + CuSO4 = MnSO4 + Cu. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
25.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Mg + CdSO4 = MgSO4 + Cd. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
26.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Mg + CoSO4 = MgSO4 + Co. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
27.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Ni + CuSO4 = NiSO4 + Cu. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
28.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Mg + CuSO4 = MgSO4 + Cu. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
29.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: 3Mg + Cr2(SO4)3 = 3MgSO4 + 2Cr. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.
30.Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: 2Al + 3NiSO4 = Al2(SO4)3 + 3Ni. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), DGо (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.