Р я д н а п р у г м е т а л і в

Запитання і задачі :

1. Що називається стандартним (нормальним) електродним потенціалом?

2. Призначення та принцип дії стандартного гідрогенного електрода.

3. Як змінюються відновні властивості атомів металів і окисні властивості їх іонів зі зменшенням алгебраїчної величини стандартних електродних потенціалів?

4. Яким рівнянням виражається залежність потенціалу металу від концентрації розчину?

5. Пояснити принцип дії гальванічного елемента.

6. Визначити ЕРС силу гальванічного елемента, складеного із цинкового і хромового електродів, занурених у розчини своїх солей концентрацією 0,0001 моль/л і 0,001 моль/л відповідно.

7. Яке коло називається концентраційним? Навести приклад. Який електрод в концентраційному гальванічному елементі набуває негативного заряду, а який позитвного?

Проведення дослідів

Дослід 1.

У чотири пробірки наливають по 2-3 мл розчину хлорогідрогенної кислоти і кладуть в кожну по шматочку алюмінію, цинку, заліза та міді. Спостерігають, де це відбувається, за виділенням водню в пробірках. Складають молекулярні та іонні рівняння реакцій .

Дослід 2.

Наливають у пробірку 2-3 мл розчину сульфату купруму і занурюють у нього шматочок очищеного залізного дроту. Спостерігають за процесом, що проходить. Складають рівняння реакції в молекулярній формі і електронну схему до нього.

Дослід 3.

Наливають у пробірку 2 мл нітрату плюмбуму і кладуть у розчин шматочок цинку. Спостерігають за зміною поверхні цинку. Складають рівняння реакції.

Дослід 4.

Беруть два однакових шматочки цинку, один з них обміднюють, зануривши на 2-3 хвилини в 1-2 мл розчину сульфату купруму. У дві пробірки наливають по 2 мл розбавленої хлорогідрогенної кислоти і кладуть в одну шматочок обмідненого цинку, а в другу – шматочок звичайного. В якій з пробірок швидше проходить виділення водню? Поясніть причину і напишіть відповідні хімічні реакції.

МЕТОДИЧНІ ПОРАДИ

Метали до деякої міри розчиняються у воді та водних розчинах. Тобто, якщо металеву пластину занурити в такий розчин, то відбудеться процес гідратації іонів металу полярними молекулами води і вони перейдуть у розчин.

У таких випадках електрони, що в надлишку залишились в металі, заряджають його поверхню негативно. Виникає електростатичне притягування між гідратованими катіонами і електронами. Тим самим встановлюється рухома рівновага:

М_е + mH₂O ↔ M_e(H₂O) + ne ^- ,

де n – число електронів, які беруть участь у процесі. На межі метал-розчин виникає подвійний електричний шар, який характеризується відповідним стрибком потенціалів – електродним потенціалом.

Електродний потенціал залежить не тільки від природи металу, а й від концентрації розчину, температури, тиску.

Для обчислення значень електродних потенціалів використовують рівняння Нернста: Е = Е^о + ,

де Е – електродний потенціал металу, В;

Е⁰– стандартний електродний потенціал металу (величина довідкова для кожного металу);

Т – температура, К; (25^оС+273^оС = 298 К);

R – універсальна газова стала (8,31 Дж/моль К);

F – число Фарадея (96500 кл/моль);

n – валентність атому металу;

[Меⁿ⁺] – активність (концентрація) іонів металу.

Враховуючи числові значення величин Т, F, рівняння Нернста набуває вигляду, за яким виконують практичні розрахунки значень потенціалів кожного з електродів:

Е = Е^о + .

Стандартним електродним потенціалом металу Е називається його електродний потенціал, який виникає при зануренні металу в розчин його солі концентрацією або активністю (при точних розрахунках), рівною
1 моль/л, за температури, рівній 298 К, і тиску 101,3 кПа, виміряний у порівнянні зі стандартним електродним потенціалом гідрогену, що прийнято за нуль. Стандартний гідрогеновий електрод – це платинова пластинка, насичена воднем при 25^оС та тиску водню 101 кПа, занурена в розчин кислоти, в якому активність іонів гідрогену дорівнює одиниці. На гідрогеновому електроді може відбуватися процес приєднання електронів до іонів гідрогену або процес відщеплення електронів і перехід гідрогену в іонний стан:

2Н⁺ + 2е^- = Н ; Н = 2Н⁺ + 2 е ^-,

залежно від того, надходять електрони до електрода чи відходять від нього.

Розмістивши метали в ряд в залежності від значень стандартних електродних потенціалів, отримуємо ряд напруг металів.

Місце того чи іншого металу в ряду напруг металів характеризує його відновні властивості, а також окисні можливості його іонів у водних розчинах за стандартних умов. Зі зменшенням значення Е покращуються відновні властивості атомів металів і слабшають окисні властивості іонів металів.

Характерною властивістю металів є їх здатність лише віддавати електрони, тобто метали можуть виступати тільки в ролі відновників.

Здатність металів до утворення вільних позитивно заряджених іонів яскраво виявляється в реакціях витіснення металів з їхніх солей іншими, активнішими металами або під час взаємодії з кислотами-неокисниками. Наприклад, під час взаємодії цинку з хлорогідрогенною або розбавленою сульфатною кислотою відбувається окисно-відновна реакція витіснення водню цинком.

Здатність різних металів віддавати електрони оцінюють за реакціями витіснення цих металів з їхніх солей іншими металами. Так, якщо цинкову пластинку занурити в розчин сульфату купруму, то відбувається окисно-відновна реакція:

Zn + Cu²⁺ = Cu↓ + Zn²⁺.

Ця реакція, наприклад, відбувається у гальванічному елементі, в якому цинкова пластинка (один електрод) занурена у розчин сульфату цинку, а мідна (другий електрод) – у розчин сульфату купруму (ІІ). Сполучивши цинковий та мідний електроди з гальванометром і з’єднавши розчини U-подібною трубкою, заповненою розчином електроліту KNO₃, отримують гальванічний елемент (елемент Якобі-Даніеля) (рис. 2).

Після встановлення у гальванічному колі контакту стрілка гальванометра відхиляється у напрямку до електроду із купруму. Це свідчить про те, що під час роботи гальванічного елемента електрони рухаються від цинкового електрода до купруму.

Рис. 2. Схема мідно-цинкового гальванічного елемента

Гальванічний елемент – це прилад, що служить для перетворення хімічної енергії окисно-відновноі реакції на електричну. У гальванічному елементі електрони переходять від відновника до окисника не безпосередньо, а по провіднику електричного струму – по зовнішньому колу. Цей напрямлений потік електронів є електричним струмом.

На цинковому електроді елемента Якобі-Даніеля відбувається розчинення цинку з перетворенням його атомів на іони, тобто процес окиснення:

Zn^o – 2 e ^- = Zn²⁺.

А вивільнені електрони по провіднику переходять на електрод із купруму, де відбувається розрядження катіонів купруму (процес відновлення):

Cu²⁺ + 2 e ^- = Cu^o↓.

Сумарне рівняння реакції, внаслідок якої у колі виникає електричний струм, матиме вигляд:

Zn^o + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu^o↓.

Схематичногальванічний елемент Якобі-Даніелязображують так:

Зі схеми видно, що в розчині катіони Zn²⁺ і Cu^2- переміщуються від цинкового електрода до мідного, а аніони SO₄ ^2- – у зворотньому напрямку. Електрод, на якому відбувається процес окиснення, називається анодом, а електрод, на якому відбувається процес відновлення, є катодом. У цьому елементі анодом є цинковий електрод, а катодом – купрум.

Електричний струм, що проходить по зовнішньому колу гальванічного елемента, здатний виконувати певну корисну роботу. Величина роботи, яку можна виконати внаслідок перетворення хімічної енергії окисно-відновної реакції, що відбувається в гальванічному елементі, залежить від величини струму, який виникає в цьому елементі.

У разі збільшення опору зовнішнього кола виділятиметься лише “некорисна” теплота, а корисна робота не виконуватиметься.

Сполучивши гальванічний елемент з електромотором, ротор якого обертається з такою швидкістю, що розвинута ним зворотна електрорушійна сила (е.р.с.) зрівноважує е.р.с. гальванічного елемента, дістають інший результат – теплова втрата стає мінімальною, а робота, навпаки, – максимальною.

За сталих температури і тиску максимальна робота, яку може виконати реакція, дорівнює зміні енергії Гіббса цієї реакції G, взятій з протилежним знаком (знак “мінус” означає, що процес може відбуватися самочинно). Тому електрони переміщуватимуться в такому напрямку, який відповідатиме від’ємному знаку G.

Робота електричного струму, який виникає в гальванічному елементі, що має різницю потенціалів Е, внаслідок відновлення та окислення n еквівалентів речовини, дорівнюватиме: G = nFE, де F – число Фарадея;

Е – електрорушійна сила гальванічного елемента .

Електрорушійною силою гальванічного елемента називається максимальне значення напруги гальванічного елемента, що відповідає перебігу реакції в прямому і зворотному напрямках. Електрорушійна сила гальванічного елемента дорівнює різниці потенціалів між електродами.

Для обчислення е.р.с. від величини потенціалу катода слід відняти величину потенціалу анода. В гальванічному елементі, як уже зазначалось, катодом є позитивно заряджений електрод, анодом – негативно заряджений (під час електролізу – навпаки).

П р и к л а д 1 . Визначити е.р.с. гальванічного елемента, який складається з мідного і цинкового електродів, занурених в розчини своїх солей концентрацією 1,5 моль/л і 0,01 моль/л відповідно.

Р о з в’ я з а н н я :Виходячи з рівняння Нернста, знаходимо значення електродних потенціалів електроду із купруму і цинкового електроду:

Е_cu = +0,337 + lg 1,5 = 0,345 В

E_zn = -0,76 + lg 0,01 = 0,818 В

Електрорушійна сила гальванічного елементу становитиме:

ЕРС = Е_cu - E_zn = 0,345 – (-0,818) = 1,163 В.

П р и к л а д 2 .Магнієву пластину занурили в розчин його солі. При цьому електродний потенціал магнію став дорівнювати 2,41 В. Визначити концентрацію іонів магнію.

Р о з в’ я з а н н я :Подібні приклади також розв’язуються за допомогою рівняння Нернста:

2,41 = - 2,37 + ∙lgC;

0,04 = 0,029 ∙ lgC;

lgC = - = -1,3793;

= 4,17∙10^-2 моль/л.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Р О Б О Т А № 7