Ряд напряжения металлов. Гальванические элементы.

3.1.1 В каких случаях будет протекать химическая реакция:

а) Мn + ZnSO₄ →

б) Bi + Cu(NO₃)₂ →

в) Co +FeBr₃ →

г) Sn +AgNO₃ →

Как мы помним, металлы способны вытеснять друг друга из растворов солей только в том случае, если один из металлов, опускаемый в раствор соли второго металла, имеет более отрицательное значение стандартного электродного потенциала. Т. Е. он является более активным и стоит в ряду СЭП выше вытесняемого металла.

Следовательно, реакция не пойдет в случае (п. 3.1.1, в), поскольку кобальт в ряду СЭП стоит ниже железа:

Co + FeBr₃ →

Запишем молекулярные уравнения возможных реакций

а) Мn + ZnSO₄ → MnSO₄ + Zn;

б) 2Bi + 3Cu(NO₃)₂ → 2Bi(NO₃)₃ + 3Cu;

г) Sn +2AgNO₃ → Sn(NO₃)₂ + 2Ag.

При составлении формул образовавшихся солей, следует учитывать заряд образующегося иона металла (его можно посмотреть в ряду СЭП или в таблице растворимости) и заряд кислотного остатка (см. таблицу растворимости). Например, в реакции (п. 3.1.1, б) медь заменили в соли висмутом (количество групп NO₃^– при этом мы не учитываем) и получили BiNO₃. Так как заряд иона висмута «3», а нитрат-иона «–», то формула нитрата висмута – Bi(NO₃)₃. Не забывайте уравнивать получившиеся уравнения.

Чтобы записать ионно-молекулярные уравнения возможных реакций, следует воспользоваться таблицей растворимости: помните, что растворимые соли относятся к сильным электролитам и записываются в виде ионов, а нерастворимые – в виде молекул.

а) Мn⁰ + Zn²⁺ + SO₄^2– → Mn²⁺ + SO₄^2– + Zn⁰;

б) 2Bi⁰ + 3Cu²⁺ + 6NO₃^– → 2Bi³⁺ + 6NO₃^– + 3Cu⁰;

г) Sn⁰ +2Ag⁺ + 2NO₃^– → Sn²⁺ + 2NO₃^– + 2Ag⁰.

или в сокращенной ионной форме:

а) Мn⁰ + Zn²⁺ → Mn²⁺ + Zn⁰;

б) 2Bi⁰ + 3Cu²⁺ → 2Bi³⁺ + 3Cu⁰;

г) Sn⁰ +2Ag⁺ → Sn²⁺ + 2Ag⁰.

Если не удается сократить ионы кислотного остатка, например, слева 3NO₃^–, а справа – 2NO₃^–, то это говорит о том, что или формулы полученных солей составлены неверно, или коэффициенты расставлены неправильно.

3.1.2 Добавлением каких из веществ:

а) Ag ; б) Cr ; в) Sn ; г) Ni

можно освободить раствор сульфата никеля от примесей сульфата меди, чтобы получить раствор без примесей? Запишите ионно-молекулярное уравнение реакции.

Чтобы убрать примесь сульфата меди, необходимо опустить в раствор более активный металл, способный вытеснить ее. Поэтому нам не подходит серебро, поскольку в ряду СЭП Ag стоит ниже Cu. На первый взгляд можно использовать остальные металлы для очистки раствора сульфата никеля, но:

а) если помесить в раствор хром, то он вытеснит и никель, и медь, поскольку он стоит в ряду СЭП выше этих металлов;

б) если помесить в раствор олово, то оно вытеснит медь, но при этом мы получим примесь SnSO₄, а нам нужен раствор без примесей.

Следовательно, в раствор, требующей очистки от примесей, необходимо опускать тот металл, который входит в состав основного раствора, т. Е. в данном случае – это никель. Запишем уравнение протекающей реакции:

Ni + CuSO₄ → NiSO₄ + Cu;

Ni⁰ + Cu²⁺ + SO₄^2– → Ni²⁺ + SO₄^2– + Cu⁰;

Ni⁰ + Cu²⁺ → Ni²⁺ + Cu⁰.

3.1.3 Рассчитайте электродный потенциал Bi в 0,01 м растворе его соли.

Значение электродного потенциала рассчитаем на основании уравнения Нернста:

.

Значение стандартного электродного потенциала (Е⁰) висмута возьмем из ряда СЭП (+0,21 В), n – количество электронов, участвующих в процессе, равно заряду иона висмута («3+»), концентрация ионов металла указана в условии задачи – 0,01 моль/л. Подставляем данные в формулу и производим расчет:

.

3.1.4 При какой концентрации ионов Cd²⁺ в моль/л потенциал кадмиевого электрода будет равен стандартному электродному потенциалу цинкового электрода?

Для решения задачи используем уравнение Нернста:

В данном случае согласно условию задачи

Значение стандартных электродных потенциалов (Е⁰) цинка и кадмия возьмем из ряда СЭП, n – количество электронов, участвующих в процессе, равно заряду иона кадмия («2+»), а концентрацию ионов кадмия необходимо найти. Подставляем данные в формулу и производим расчет:

;

Отсюда концентрация ионов кадмия составит [Cd²⁺] = 10^–12 моль/л.

3.1.5 Написать схему гальванического элемента, составленного из магниевой и железной пластинок, опущенных в растворы их сернокислых солей. Написать уравнения катодного и анодного процессов, вычислить ЭДС элемента при использовании 1М растворов сернокислых солей.

Поскольку E_Fe > E_Mg (железо является менее активным металом, так как характеризуется большим значением электродного потенциала), то на железном электроде будет протекать процесс восстановления, то есть он будет являться катодом, а на магниевом электроде – процесс окисления, так как магний будет являться анодом.

Запишем электродные процессы:

А) Mg⁰ – 2ē → Mg²⁺;

К) Fe²⁺ + 2ē → Fe⁰;

Схема рассматриваемого гальванического элемента:

Mg MgSO₄ FeSO₄ Fe

Чтобы определить ЭДС элемента, необходимо вычислить электродные потенциалы. Для этого находим значения стандартных электродных потенциалов систем Mg²⁺/Mg (–2,38 В) и Fe²⁺/Fe (–0,44 В), а затем рассчитываем значение электродного потенциала по уравнению Нернста. Но поскольку в условии задачи указаны концентрации растворов, равные 1 М (1 моль/л – стандартные условия), то .

Подставляем известные данные и находим значения ЭДС:

ΔЕ = Е_катода – Е_анода = E_Fe – E_Mg = –0,44 – (–2,37) = 1,93 В

3.1.6 Предложите две схемы гальванических элементов, в одном из которых цинк играл бы роль анода, а во втором – роль катода. Запишите уравнения электродных процессов и уравнения токообразующих реакций (суммарных уравнений процессов), лежащих в основе работы этих гальванических элементов.

Мы помним, что роль анода играет более активный металл, т. е. стоящий ближе к началу ряда СЭП и имеющий меньшую величину электродного потенциала. Роль же катода – наоборот – менее активный металл, т. е. стоящий ближе к концу ряда СЭП и имеющий большую величину электродного потенциала.

1 Чтобы составить схему гальванического элемента, в котором цинк играл бы роль анода, необходимо в качестве катода взять металл, стоящий ниже цинка и имеющий большую величину электродного потенциала, например хром, кадмий, олово, медь, серебро и т. д. Остановимся на кадмии.

Поскольку в условии задачи не сказано, в растворы каких солей опущены металлы, то схему работы гальванического элемента составляем в ионной форме:

Zn ô Zn²⁺ ôô Cd²⁺ ô Cd

Запишем уравнения электродных процессов:

А) Zn⁰ – 2ē → Zn²⁺ (окисление);

К) Cd²⁺ + 2ē → Cd⁰ (восстановление).

Если сложить процессы, протекающие на электродах, то получим суммарное уравнение реакции, или по-другому, уравнение реакции, лежащей в основе работы этого гальванического элемента (электроны при этом должны сократится):

Zn⁰ + Cd²⁺ → Zn²⁺ + Cd⁰.

Если по условию задачи требуется записать это же уравнение в молекулярной форме, то к положительным ионам необходимо добавить отрицательные, но с таким условием, чтобы получить сильный электролит:

Zn + Cd(NO₃)₂ → Zn(NO₃)₂ + Cd.

2 Чтобы составить схему гальванического элемента, в котором цинк играл бы роль катода, необходимо в качестве анода взять металл, стоящий выше цинка и имеющий меньшую величину электродного потенциала, например магний, алюминий, титан и т. д. Использовать в качестве анода щелочные и щелочно-земельные металлы (например, натрий, кальций и т. д.) использовать нельзя, поскольку при опускании в водный раствор они вступают с водой во взаимодействии. Остановимся на алюминии.

Составляем схему работы гальванического элемента в ионной форме:

Al ô Al³⁺ ôô Zn²⁺ ô Zn

Запишем уравнения электродных процессов:

А) Al⁰ – 3ē → Al³⁺ (окисление);

К) Zn²⁺ + 2ē → Zn⁰ (восстановление).

Если сложить процессы, протекающие на электродах, то получаем суммарное уравнение реакции. Чтобы сократить электроны, необходимо первое уравнение умножить на 2, а второе – на 3. Тогда:

2Al⁰ + 3Zn²⁺ → 2Al³⁺ + 3Zn⁰.

В молекулярной форме, например:

2Al + 3ZnSO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3ZnSO₄

или 2Al + 3Zn(NO₃)₂ → 2Al(NO₃)₃ + 3Zn.

3.1.7 Какой гальванический элемент называется концентрационным? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, опущенных: первый в 0,01 н., а второй в 0,1 н. растворы AgNO₃.

Гальванический элемент, составленный из одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, различающихся только концентрацией, называется концентрационным. При этом электрод, помещенный в более разбавленный раствор (с меньшей концентрацией ионов в растворе), играет роль анода, а электрод в более концентрированном растворе (с большей концентрацией ионов металла в растворе) – роль катода.

Схема работы данного гальванического элемента:

Ag AgNO₃ (0,01 н) AgNO₃ (0,1 н) Ag

Электродные процессы:

А) Ag⁰ – 1ē = Ag⁺ – процесс окисления;

K) Ag⁺ + 1ē = Ag⁰ – процесс восстановления.

Величина электродного потенциала отдельно взятого электрода рассчитывается по уравнению Нернста. Значение электродного потенциала серебра возьмем из ряда СЭП (+0, 8 В), количество электронов, участвующих в процессе, равно заряду иона серебра («+1»).

На уравнения Нернста найдем электродные потенциалы металла анода и катода.

EК = 0,8 +	0,059	l g 0,1 = 0,741 В;

EА = 0,8 +	0,059	l g 0,01 = 0,682 В.

В данном случае будем считать, что С_Н = [Meⁿ⁺], поскольку фактор эквивалентности нитрата серебра равен 1.

ЭДС гальванического элемента рассчитаем по формуле

ЭДС = Е_К – Е_А = 0,741 – 0,682 = 0,059 В.