Модуль 5. Основы электрохимии

Выучитьследующие понятия:

1. окислитель, восстановитель, окисление, восстановление;

2. катод, анод;

3. электродный потенциал;

4. ЭДС гальванического элемента;

5. константа окислительно-восстановительного процесса.

Знать:

1. механизм возникновения электродного потенциала;

2. устройство гальванических элементов, их условную запись;

3. порядок разрядки ионов на электродах при электролизе;

4. уравнение Нернста;

5. законы Фарадея.

Уметь:

1. составлять ионно- электронные уравнения процессов окисления и восстановления;

2. записывать схемы гальванических элементов;

3. рассчитывать ЭДС, Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru G, К Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru окислительно-восстановительных процессов;

4. определять направление окислительно-восстановительных процессов.

Контрольные вопросы

1.Что такое окислитель; восстановитель? Приведите примеры типичных окислителей и восстановителей.

2. Какой процесс называется окислением; восстановлением?

3. Как рассчитать ЭДС окислительно-восстановительной реакции?

Каковы критерии самопроизвольного протекания окислительно-восстановительного процесса? Как связана ЭДС с изменением энергии Гиббса?

4. Как рассчитать молярную массу эквивалента вещества, участвующего в окислительно-восстановительном процессе?

5. В чем заключается механизм возникновения электродного потенциала?

6. Привести уравнение Нернста для расчета электродного потенциала. Какие факторы влияют на величину потенциала? Что называют стандартным электродным потенциалом?

7. Какой электрод называют катодом; анодом?

8. Что называют гальваническим элементом? Какой гальванический элемент называют концентрационным? Как вычислить ЭДС гальванического элемента?

9.Что такое электролиз? Указать порядок разрядки ионов на электродах при электролизе.

10. Сформулировать законы Фарадея. Определить понятие электрохимического эквивалента.

Пример 1.Определить для стандартных условий возможность протекания окислительно- восстановительной реакции между ионами олова Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru и церия Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , если φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 0,15 B; φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 1,74 B.

Решение: Термодинамическим условием самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции в водном растворе в прямом направлении является положительное значение ЭДС.

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru>0; это возможно в том случае, еслиφ0ок> φ0восс.

φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru > φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , значит окислитель необходимо искать в паре Се Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru | Cе Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , а восстановитель – в паре Sn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru | Sn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru .

Окислитель должен принимать электроны, а восстановитель – отдавать. Значит Се Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru - окислитель, Sn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru - восстановитель.

Составляем процессы окисления, восстановления.

Sn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru - 2e Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Sn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru окисление

Се Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru +1е Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Се Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru восстановление

Sn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + 2Ce Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = Sn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + 2Ce Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru - суммарное ионное уравнение окислительно-восстановительной реакции

SnCl2 + 2СеCl4= SnCl4 + 2CeCl3 - cуммарное молекулярное уравнение.

ЭДС данной реакции рассчитываем по формуле:

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru - φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 1,74 – 0,15 = 1,59 (B).

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru > 0, cледовательно процесс протекает самопроизвольно.

Ответ: реакция возможна между Се Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru и Sn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru

Пример 2. Покажет ли амперметр ток во внешней цепи гальванического элемента Pb|Pb Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ||Cu Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru |Cu, если С Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru моль/л, а С Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru моль/л.

Для реакции, лежащей в основе работы гальванического элемента, рассчитайте энергию Гиббса и значение константы равновесия.

Решение: В гальваническом элементе Pb|Pb Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ||Cu Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru |Cu электродные реакции описываются следующими уравнениями:

A: Pb – 2e Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Pb Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru окисление

К: Cu Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + 2e Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Cu восстановление

Pb + Cu Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Pb Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru +Cu токообразующая реакция

Рассчитаем значения электродных потенциалов, пользуясь уравнением Нернста:

φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ruМодуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru lg C Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,13 + Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru lg 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru =

= - 0,13 + Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru (-2) = - 0,13 – 0,059 = - 0,189 (B),

φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru lg C Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 0,34 + Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru lg 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru =

= 0,34 + Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru (-1) = 0,34 – 0,0295 = 0,3105 (B).

ЭДС (Е, В) рассчитываем через электродные потенциалыЕ = φ к - φ а,

Е = 0,3105 – (- 0,189) = 0,4995 (B), т.к. Е > 0 , следовательно, амперметр ток покажет.

Изменение энергии Гиббса для токообразующей реакции рассчитываем по уравнению Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru.

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru G = - 2∙96500∙0,4995 = - 96403,5 Дж = - 96,4 кДж,

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru G < 0, токообразующая реакция протекает самопроизвольно.

Значение константы равновесия находим по формуле

К Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , где n – число электронов, участвующих в реакции,

E Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru - стандартное ЭДС.

Е Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 0,34 – (-0,13) = 0, 47 (B),

K Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ∙10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 8,3∙10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru >>10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru

Столь большое значение константы равновесия говорит о том, что процесс практически протекает полностью.

Ответ: амперметр покажет ток во внешней цепи.

Пример 3. Определите концентрацию ионов Fe Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru в растворе, при которой потенциал железного электрода Fe|Fe Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru при 250С равен потенциалу водородного электрода в растворе с рН = 2.

Решение: По условию задачи φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru . Находим потенциал водородного электрода при 25 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru С: φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,059pH = - 0,059∙2 = - 0,118 B.

Cледовательно, φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,118 B.

По уравнению Нернста φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ∙lgC Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru . Отсюда выражаем концентрацию ионов железа -0,118 = - 0,04 + Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ∙lg C Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ,

- 0,118+ 0,04 = Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ∙lg C Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , - 0,078 = 0,0197∙ lg C Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , - 3,96 = lg C Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , C Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ∙10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 1,1∙10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ( моль/л ).

Ответ: С Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 1,1∙10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru моль/л.

Задания для самостоятельного решения;

1. В следующих окислительно-восстановительных реакциях:

а) укажите окислитель и восстановитель, рассчитайте их молярные массы эквивалентов;

б) подберите коэффициенты в уравнениях реакций, используя соответствующие методы подбора;

в) определите направление самопроизвольного протекания реакций:

Схема реакции Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
Al + S = Al2S3 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru SnCl4 + KJ = SnCl2 + J2 + KCl
NH3 + O2 = N2 + H2O KMnO4 + H2O2 + H2SO4 = MnSO4 + O2 + K2SO4 + H2O
Ti + HCl = TiCl3 + H2 K2Cr2O7 + H2S + H2SO4 = Cr2(SO4)3 + S + K2SO4 + H2O
Zn + NaOH + H2O = Na2 [Zn(OH)4] + H2 CdS + O2 = CdO + SO2
Cu(NO3)2 = CuO + NO2 + O2 Na2S + NaClO + H2SO4 = S + NaCl + Na2SO4 + H2O
Cu + FeSO4 = CuSO4 + Fe K2SO3 + Cl2 + H2SO4 = K2SO4 + HCl + H2O
FeCl3 + KBr = Br2 + FeCl2 + KCl K2Cr2O7 = K2CrO4 + Cr2O3 + O2
As2O3 + HclO + H2O = H3AsO4 + HCl Zn + AgNO3 = Zn(NO3)2 + Ag
HJO3 + KCl = KclO3 + J2 + H2O Na2SO3 = Na2S + Na2SO4
MnSO4 + K2Cr2O7 + H2SO4 = HmnO4 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + H2O Cl2+ J2 + H2O = HCl + HJO3
Cr(OH) 3+ Br2 + KOH = K2CrO4+ KBr + H2O HNO3 + S = H2SO4 + NO
Si + NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2 H2S + J2 = HJ + S
Cu + HNO3 = Cu(NO3)2 + NO2 + H2O Cl2 + NaOH = NaCl + NaClO3 + H2O
KmnO4 + HCl = KCl + MnCl2 + Cl2 + H2O Mg + Al(NO3)3 = Mg(NO3)2 + AL
HJ + H2SO4 = J2 + H2S + H2O Al + KOH + H2O = K[Al(OH)4] + H2

2. Используя метод ионно-электронного баланса, составьте молекулярные уравнения окислительно-восстановительных процессов в направлении их самопроизвольного протекания для следующих сопряженных пар:

φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 0,42В φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru
φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru

3. Вычислить константу равновесия окислительно-восстановительной реакции:

1. 2S2O3-2 + I2 = S4O6-2 + 2I-1;

2. 2MnO4-1 + 5HNO2 + H+1 = 2Mn+2 +5NO3-1 + 3H2O;

3. H2S + I2 = 2H+1 + S + 2I-1;

4. H2SO3 + I2 + H2O = SO4-2+2I-1+ 4H+1;

5. 3P + 5NO3-1 + 2H2O = 3PO4-3 + 5NO + 4H+1;

6. S + 6NO3-1 + 4H+1 = SO4-2 + 6NO2 + 2H2O;

7. Cl2 + 2OH-1 = ClO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + H2O;

8. 6Fe+2 + Cr2O7-2+ 14H+1 = 6Fe+3 + 2Cr+3 + 7H2O;

9. Fe+3 + Ce+3 = Fe+2 + Ce+4;

10. Cr2O7-2 + 6Cl-1 + 14H+1 = 2Cr+3 + 3Cl2 + 7H2O;

11. S + 2H2SO4 = 3SO2 + H2O;

12. Cu + 2Ag+1 = Cu+2 + 2Ag;

13. 10Fe+2 + 2ClO3-1 + 12H+1 = Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + 10Fe+3 + 6H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru O;

14. 3N2H4 + 2BrO3-1 = 3N2 + 2Br-1 + 6H2O;

15. Sn+2 + 2Fe+3 = Sn+4 + 2Fe+2;

4. а) Составьте схемы работающих гальванических элементов, используя предложенные электроды;

б) Напишите уравнения процессов, протекающих на аноде и катоде в данных элементах, уравнения токообразующих реакций;

в) Рассчитайте значения электродных потенциалов при заданных условиях;

г) Рассчитайте значение электродвижущей силы гальванического элемента и энергию Гиббса токообразующей реакции;

д) Сравните полноту протекания токообразующих реакций в гальванических элементах.

Схемы электродов С катодного электpолита моль/л С анодного электролита моль/л Т
Fe | Fe Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ,Zn | Zn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Pt, H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru | 2H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 0,1 0,01 18 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru C
Ni | Ni Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Cu | Cu Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Pt | Fe Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Fe Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 0,01 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 25 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru C
Sn | Sn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Ag | Ag Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Pt, O Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru | 2OH Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 273 K
Mg | Mg Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Cr | Cr Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Fe | Fe Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 293 K
Al |Al Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Pt, H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru | 2H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , V | V Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 0,1 298 K
Pb | Pb Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Fe | Fe Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Ag | AgCl, Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 0,01 291 K
Cr | Cr Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Ag | Ag Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Pt | Pt Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 0,1 0,001 20 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru C
Cd | Cd Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Zn | Zn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Pt, H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru | 2H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 300 K
Al | Al Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Pb | Pb Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Mn | Mn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 18 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru C
Cu | Cu Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Pt, Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru | 2Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Co | Co Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 0,01 0,1 25 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru C
Au |Au Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Sn | Sn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Zn | Zn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 291 K
Mg | Mg Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ,Cu | Cu Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Ag|AgCl, Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 310 K
Fe | Fe Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Ag | Ag Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Ni | Ni Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru C
Pt,H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru | 2H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Al | Al Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Cu | Cu Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 25 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru C
Zn | Zn Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Ni | Ni Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Mg | Mg Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 10 Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 298 K

Пример 1. Будут ли отличаться по составу продукты электролиза расплава и водного раствора хлорида кальция? Электроды графитовые.

Решение: а) Электролизом называют окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита. При этом на катоде происходит процесс восстановления – присоединения электронов

из внешней электрической цепи, а на аноде происходит процесс окисления – отдача электронов в цепь.

При прохождении тока через расплав хлорида кальция катионы кальция Са Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru движутся к отрицательно-заряженному электроду (катоду), на котором восстанавливаются. Анионы хлора Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru перемещаются к положительно-заряженному электроду (аноду) и, отдавая электроны, окисляются.

Электролиз расплава хлорида кальция можно представить схемой:

CaCl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = Ca Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + 2Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru

(-) катод | Ca Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 2Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru | анод (+)

К: Са Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + 2е = Са

А: 2Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru - 2e = Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru

Ca Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + 2Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = CaCl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru или CaCl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = Сa + Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru

б) На ход электролиза из водных растворов большое влияние оказывают растворитель и материал электродов. При выборе наиболее вероятного процесса на аноде и катоде следует исходить из положения, что будет протекать та реакция, для которой требуется наименьшая затратаэнергии. Используют следующие правила:

На катоде:

1) катионы металлов со стандартным электродным потенциалом большим, чем φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru почти полностью восстанавливаются и выделяются в виде металла Me+n + ne = Me;

2) катионы металлов с малой величиной стандартного электродного потенциала (металлы начала ряда Li Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , Na Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , K Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru … до Al Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru включительно) не восстанавливаются, в этом случае восстанавливается водород из воды по уравнению Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ;

3) катионы металлов, характеризующиеся средними значениями стандартных электродных потенциалов ( φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru < φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru < φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ) восстанавливаются одновременно с молекулами воды.

На аноде:

1) нерастворимые аноды (графитовые, платиновые и т.д.) не претерпевают окисления в ходе электролиза, растворимые – могут окисляться и переходить в раствор в виде ионов;

2) при электролизе растворов, содержащих в своем составе анионы F-1, SO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , NO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , PO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru …, а также растворов щелочей (OH-1) выделяется кислород;

2H2O – 4e = O2 + 4H+1 или 4OH-1 – 4e = 2H2O + O2;

3) при окислении анионов Cl-1, Br-1, I-1 выделяются Cl2, Br2, I2;

4) при окислении анионов органических кислот происходит процесс

2RCOO-1 – 2e = R-R + 2CO2;

5) анионы, содержащие неметалл в промежуточной степени окисления (SO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru , NO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru и т.п.) сами окисляются на аноде: SO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru O – 2e = SO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + 2H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru ,

NO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru O – 2e = NO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + 2H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru .

Электролиз водного раствора хлорида кальция можно представить схемой:

CaCl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = Ca Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + 2Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru (-) катод Ca Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Cl Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru анод (+)

H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru O H Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru O

φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 2,9 B φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 1,36 B

φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,82 B φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 1,5 B

На катоде разряжается самый сильный окислитель (с максимальным значением потенциала), на аноде – самый сильный восстановитель (с минимальным значением потенциала): А: 2Cl-1 – 2e = Cl2

K: 2Н2O +2e = H2 + 2OH-1

2Cl-1 + 2H2O = Cl2 + H2 + 2OH-1.

Молекулярное уравнение электролиза: CaCl2 + 2H2O = Cl2 + H2 + Ca(OH)2.

Ответ: продукты электролиза расплава и водного раствора хлорида кальция различаются.

Пример 2. Как изменилась масса анода при электролизе раствора сульфата никеля с электродами из никеля, если через этот электролит пропускали ток в 0,5 A в течение 5 ч?

Решение: Схема электролиза водного раствора сульфата никеля с растворимыми никелевыми электродами:

NiSO4 = Ni Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru + SO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru (-) катод Ni+2 SO Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru анод (+)

H2O H2O

Ni

φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,25 B φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 2,05 B

φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,82 B φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 1,23 B

φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,25 B

Самый вероятный восстановитель на аноде – металлический никель (материал анода), на катоде восстанавливается самый сильный окислитель Ni+2.

A: Ni – 2e = Ni+2

K: Ni+2 + 2e = Ni

Используя закон Фарадея, рассчитываем массу никеля, растворившегося на аноде m (Ni) = Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 2,75 г.

Ответ: масса анода уменьшилась на 2,75 г.

Задания для самостоятельного решения:

Для водного раствора данного электролита:

а) напишите уравнения процессов, идущих на электродах при электролизе;

б) рассчитайте, сколько и каких веществ выделится на катоде и аноде, если электролиз вести при силе тока I в течение времени (τ, ч);

в) будет ли меняться рН в приэлектродном пространстве в процессе электролиза;

г) как изменится анодный процесс, если анод заменить на другой, выполненный из …

электролит электроды I, A τ, ч замена
ZnSO4 платиновые 0,5 цинка
MgCl2 магниевые 1,5 графита
AgNO3 графитовые серебра
NiSO4 никелевые 1,5 графита
SnCl2 платиновые 2,75 олова
H2SO4 графитовые цинка
Cd(NO3)2 графитовые 0,1 кадмия
CuBr2 золотые меди
Co(NO2)2 платиновые 0,7 железа
FeI3 железные 0,9 графита
K2SO4 графитовые 0,5 меди
BaCl2 графитовые 1,3 серебра
Pb(CH3 COO)2 платиновые графита
NaOH графитовые 2,5 цинка
PtCl2 платиновые 0,8 1,75 меди

Коррозия металлов

Коррозиейназывают процесс самопроизвольного окисления металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой (ΔG < 0). По механизму протекания различают:

а) химическую коррозию в средах, не проводящих электрический ток (газовая коррозия, коррозия в неэлектролитах);

б) электрохимическую коррозию в средах, имеющих ионную проводимость (коррозия в электролитах, в атмосфере влажного воздуха, в почве).

При электрохимической коррозии разрушение металла происходит в результате работы огромного количества коррозионных микроэлементов. При этом на более активном металле, с меньшим значением потенциала, протекает анодная реакция (окисление), а на участках металла с большим значением потенциала – катодное восстановление окислителя:

A: Me – ne = Me+n

K: O2 + 2H2O + 4e = 4OH-1 (pH > 7) кислородная деполяризация

O2 + 4H+1 + 4e = 2H2O (pH < 7)

2H2O + 2e = H2 + 2OH-1 (pH > 7) водородная деполяризация

2H+1 + 2e = H2 (pH < 7)

Возможность протекания коррозии может быть определена по знаку ЭДС коррозионного элемента Е = φкатод – φанод или Е = φокисл. – Евосстан.. Коррозия возможна, если Е > 0.

Равновесный потенциал кислородного электрода при 298 К описывается уравнением φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 1,227 + 0,0147lg P Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru - 0,059 pH, а потенциал водородного электрода определяется уравнением φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,059pH – 0,0295lg P Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru .

Пример 1.Какие из металлов (Au, Sn, Mn) могут быть окислены кислородом при 298 К, рН = 7 и стандартных состояниях всех веществ?

Решение:Окисление металла возможно при условии φокисл. > φвосст., т.е. φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru > φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru .

Потенциал кислородного электрода при 298 К, P Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 1атм и рН = 7 равен 0,814 B. φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 1,227 + 0,0147 lg 1 – 0,059∙7 = 0,814(B)

Стандартные потенциалы металлов равны φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,136 B, φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 1,18 B и φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 1,5 B. Отсюда следует, что указанное выше условие соблюдается для олова и марганца, которые могут быть окислены кислородом при рН = 7.

Ответ: олово и марганец могут быть окислены.

Пример 2. Рассмотрите коррозию изделия из алюминиевой бронзы: а) в дистиллированной воде; б) в сильнощелочной аэрированной среде (раствор гидроксида натрия). Предложите протектор для защиты изделия из алюминиевой бронзы от коррозии во влажном воздухе. Приведите уравнения протекающих процессов.

Решение: Алюминиевая бронза – сплав меди с алюминием.

Так как φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 0,34 B > φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 1,7 B, то зерна меди будут катодными участками, а алюминия – анодными участками. Последние и будут подвергаться коррозии. Катодные процессы определяются характером коррозионной среды.

а) Протекает коррозия с водородной деполяризацией

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru А: Al – 3e = Al+3 2

К: 2H2O + 2e = H2 + 2OH-1 3

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 2Al + 6H2O = 3H2 + 2Al(OH)3,.

б) Протекает коррозия с кислородной деполяризацией

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru A: Al – 3e = Al+3 4

K: O2 + 2H2O + 4e = 4OH-1 3

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 4Al +3O2 + 6H2O = 4 Al(OH)3

Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4].

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru Протектор, согласно принципу его действия, должен иметь потенциал более отрицательный, чем потенциал меди и алюминия, например магний (φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 2,37 В). В образующемся гальваническом элементе он будет выступать в качестве анода и разрушаться.

A: Mg – 2e = Mg+2 2

K: O2 + 2H2O + 4e = 4OH-1 1

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru 2Mg + O2 + 2H2O = 2Mg(OH)2

Пример 3.К какому типу покрытий относятся олово на меди и на железе? Какие процессы будут протекать при коррозии указанных пар в кислой среде?

Решение: φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 0,34 B; φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,44 B; φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,14 B.

а) Т. к. φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,14 B < φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = 0,34 B, значит олово является анодным покрытием на меди. При коррозии разрушается металл покрытия:

A: Sn – 2e = Sn+2

K: 2H+1 + 2e = H2

Sn + 2H+1 = Sn+2 + H2

б)Т. к. φ Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,14 B > E Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru = - 0,44 B, значит олово является катодным покрытием железа. При нарушении целостности покрытия корродировать будет основной металл – железо.

A: Fe – 2e = Fe+2

K: 2H+1 + 2e = H2

Fe + 2H+1 = Fe+2 + H2

Задания для самостоятельного решения:

1. Коррозия – процесс самопроизвольного разрушения металлов вследствие физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Изменение свободной энергии Гиббса в этом случае: а) ΔG > 0; б) ΔG = 0; в) ΔG < 0.

2. Какой из процессов протекает на корродирующем металле:

а) Me+n +ne = Me восстановление;

б) Me – ne = Me+n восстановление;

в) Me – ne = Me+n окисление.

3. Какие процессы возможны при коррозии в кислой среде на катодных участках:

а) O2 + 2H2O + 4e = 4OH-1; в) H2 + 2OH-1 + 2e = 2H2O;

б) 2H+1 + 2e = H2; г) O2 + 4H+1 +4e = 2H2O.

4. Какие процессы возможны при коррозии в щелочной среде на катодных участках:

а) O2 + 2H2O + 4e = 4OH-1; в) H2 + 2OH-1 + 2e = 2H2O;

б) 2H+1 + 2e = H2; г) O2 + 4H+1 +4e = 2H2O.

5. Склепаны два металла. Какой из металлов будет подвергаться коррозии:

а) Zn – Fe; ж) Cu – Cd;

б) Pb – Sn; з) Ag – Pb;

в) Zn – Ag; и) Al – Ni;

г) Al – Fe; к) Fe – Sn;

д) Pd – Mn; л) Fe – Cd;

е) Fe – Ni; м) Сr – Ni.

6. Составьте уравнения электродных процессов, происходящих при коррозии вышеуказанных пар металлов:

а) в атмосфере влажного воздуха;

б) в дистиллированной воде;

в) в кислой среде.

7. Приведите примеры катодных и анодных покрытий для

а) меди; ж) железа;

б) никеля; з) свинца;

в) цинка; и) олова;

г) хрома; к) кадмия;

д) серебра; л) алюминия;

е) марганца; м) кобальта.

8. Возможна ли электрохимическая коррозия:

а) Sn в водном растворе при рН = 6 в контакте с воздухом;

б) Zn в дистиллированной воде;

в) Fe в атмосфере влажного воздуха;

г) Cu в деаэрированном растворе при рН = 2;

д) Cd в аэрированном растворе при рН = 10;

е) Fe в нейтральной среде рН = 7;

ж) Ni в водном растворе при рН = 1;

з) Pb в морской воде (рН = 8) в контакте с воздухом;

и) Al в деаэрированном растворе при рН = 3;

Приведите уравнения электродных процессов

Список литературы:

1. Основная литература:

1. Глинка, Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / Н.Л. Глинка; под ред: А.И. Ермакова – 30-е изд., испр. – М.: Интеграл-Пресс, 2009 – 727 с. – 57 экз.

2. Коровин, Н.В. Общая химия: учеб. для студ. учреждений высш. проф. образования/ Н.В. Коровин. – 13-е изд. перераб и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 496 с. – (Сер. Бакалавриат). ‑ 56 экз.

3.Глинка, Н.Л. Сборник задач и упражнений по общей химии: учеб. пособие для студ. нехимических спец. вузов / Н.Л. Глинка; под ред. В.А Рабиновича, Х.М. Рубининой – М.: Интеграл-Пресс, 2009.- 240 с.– 65 экз.

4. Хаускрофт, К. Современный курс общей химии: в 2 т. / К. Хаускрофт, Э. Констебл; пер. с англ. Я.А. Ребане и др.; под ред. В.П. Зломанова – М: Мир, 2009. Т. 1. – 539с. – 10 экз.

5. Хаускрофт, К. Современный курс общей химии: в 2 т. / К. Хаускрофт, Э. Констебл; пер. с англ.Р.В. Ничипорук, А.А. Молодыка; под ред. В.П. Зломанова – М: Мир, 2009. Т. 2. – 528с. –

10 экз.

2. Дополнительная литература:

1. Некрасов, Б.В.Основы общей химии: в 2-х т. / Б.В. Некрасов. – 4‑е изд., стереотип. – СПб. и др. – Т. 1. – 2003-.656 с.

2. Некрасов, Б.В.Основы общей химии: в 2-х т. / Б.В. Некрасов. – 4‑е изд., стереотип. – СПб. и др. – Т. 2. – 2003-.688 с.

3. Угай, Я.А. Общая и неорганическая химия: учеб. для вузов /Я.А. Угай – Изд. 5, стер. – М.: Высша. шк., 2007.-526 с.

4. Коровин, Н.В. Задачи и упражнения по общей химии: учеб. пособие / Под ред. Н.В. Коровина. – 3-е изд., испр. – М.: Высша. шк., 2006. – 255с.

5. Вольхин, В.В. Общая химия. Основной курс: учеб. пособие / В.В. Вольхин. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.; М.; Крастнодар: Лань, 2008. – 464 с.

6. Вольхин, В.В. Общая химия. Избранные главы: учебн. пособие / В.В. Вольхин. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.; М.; Крастнодар: Лань, 2008. – 384 с.

7. Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия: учебн. для вузов/ Н.С. Ахметов. – 7-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2009. – 743 с.

8. Задачи и упражнения по общей химии: учебн. пособие для студ. вузов, обуч. по техническ им напр. и спец. / Б.И. Адамсон, О.Н. Гончарук, В.Н. Камышова и др. Под ред. Н.В. Коровина. – 3-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2006. – 254с.

9. Гельфман, М.И. Химия: учебник для студ. вузов, обуч. по техническим спец. и напр. / М.И. Гельфман, В.П. Юстратов. – 4-е изд. стер. – СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2008. – 472 с.

10. Теоретические основы общей химии: учеб. для студ.в вузов, обуч. по напр. подгот. диплом. спец. в обл. техники / А.И. Горбунов, А.А. Гуров, Г.Г. Филиппов, В.Н. Шаповал. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. – 719 с.

11. Романцева, Л.М. Сборник задач и упражнений по общей химии: учеб пособие для нехимических спец. вузов / Л.М. Романцева, З.Л. Лещинская, В.А. Суханова.2-е изд., рераб и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 228 с.

12. Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии: учеб. пособие для хим.-технол. спец. вузов. / С.С. Воюцкий. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1976. - 512 с.

13. Жилин, Д.М. Общая химия. Практикум L-микро. Руководство для студентов / Д.М. Жилин. – М.: Изд-во МГИУ, 2006. – 321 с.

14. Жмурко Г.П. Лекции по общей и неорганической химии для студента первого курса биологического факультета (общий поток) [Электронный ресурс]: Химический факультет МГУ. Учебные материалы для нехимических специальностей. / Режим доступа:

http://www.chem.msu.su/rus/teaching/general.html.

16. Хлебников А.И., Аржанова И.Н., Напилкова О.А. Общая химия. Гипертекстовое учебное пособие [Электронный ресурс]:Факультет пищевых и химических производств АлтГТУ. Учебные материалы / Режим доступа: http://www.chem-astu.ru/chair/study/genchem/index.html

3. Справочная литература:

1.. Рябин, В.А. Термодинамические свойства веществ: справочник / В.А. Рябин, М.А. Остроумов, Т.Ф. Свит – Ленинград: Химия, 1977 –

392 с.

2. Лурье, Ю.Ю. Справочник по аналитической химии / Ю.Ю. Лурье. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1959. – 447 с.

3. Краткий справочник физико-химических величин / ред., сост. А.А. Равдель, ред., сост А.М. Пономарева, сост. Н.М. Барон, сост. З.Н. Тимофеева – 9-е изд. – СПб.: Специальная литература,1999. – 231 с.

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

(ДВФУ)

Модуль 5. Основы электрохимии - student2.ru

ШКОЛА ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

Наши рекомендации