- •Работа 1 окислительно-восстановительные реакции
- •Основные теоретические положения
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные задания Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 9
- •Вариант 10
- •Вариант 11
- •Вариант 12
- •Вариант 13
- •Вариант 14
- •Вариант 15
- •Работа 2 гальванические элементы
- •Основные теоретические положения
- •Порядок выполнения работы
- •Экспериментальные и расчетные данные
- •Контрольные задания Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •1. Никелевый и кобальтовый электроды помещены в растворы их солей. В каком соотношении должны быть взяты концентрации ионов данных металлов, чтобы их потенциалы были одинаковыми?
- •Вариант 5
- •Вариант 6
- •Вариант 7
- •Вариант 8
- •Электролиз
- •Основные теоретические положения
- •Порядок выполнения работы
- •Часть 1. Определение электрохимического эквивалента меди
- •Часть 2. Газометрический метод определения выхода продуктов электролиза по току
- •Экспериментальные и расчетные данные для определения электрохимического эквивалента меди
- •Экспериментальные и расчетные данные для процесса электролиза раствора гидроксида натрия
- •Часть 3. Электрохимическое цинкование
- •Экспериментальные и расчетные данные для процесса цинкования
- •Часть 1. Определение электрохимического эквивалента меди
- •Часть 2. Газометрический метод определения выхода продуктов электролиза по току
- •Часть 3. Электрохимическое цинкование
- •Контрольные задания
- •Коррозия металлов
- •Основные теоретические положения
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные задания Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •Вариант 5
- •Вариант 10
- •Вариант 11
- •Вариант 12
- •Вариант 13
- •Вариант 14
- •Вариант 15
- •Определение электропроводимости раствора уксусной кислоты
- •Основные теоретические положения
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные задания Вариант 1
- •Вариант 2
- •Вариант 3
- •Вариант 4
- •Вариант 5
- •Вариант 6
- •Вариант 7
- •Вариант 8
- •Вариант 9
- •Вариант 10
- •Вариант 11
- •Вариант 12
- •Вариант 13
- •Вариант 14
- •Вариант 15
- •Библиографический список
- •Третьяков ю.Д. Практикум по неорганической химии: Учеб. Пособие. – м.: Академия, 2004.
- •Стандартные электродные потенциалы окислительно-восстановительных систем в водных растворах
- •Приложение 2 Метрологическая карта средств измерения
- •Давление насыщенного водяного пара при различных температурах
- •Подвижности ионов при 25°с и бесконечном разведении
- •Часть 3
- •162600, Г. Череповец, пр. Луначарского, 5
Основные теоретические положения
Современные потребители электрической энергии нуждаются в автономных и мобильных источниках для питания различной аппаратуры. Такими устройствами являются химические источники тока (ХИТ). К ним относятся гальванические элементы, аккумуляторы и топливные элементы.
В основе работы аккумуляторов лежат обратимые ОВР. Под действие внешнего источника тока ОВР протекает в обратном направлении, при этом устройство накапливает (аккумулирует) химическую энергию. Этот процесс называется зарядом аккумулятора. Далее аккумулятор может превратить накопленную химическую энергию в электрическую (процесс разряда аккумулятора). Процессы заряда и разряда аккумулятора осуществляются многократно, то есть это ХИТ многоразового действия (иначе, вторичный ХИТ).
Гальваническим элементом называют устройство для прямого преобразования энергии химической реакции в электрическую энергию. В этом случае реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав элемента и расходуются в процессе его работы. После расхода реагентов элемент больше не может функционировать, то есть это ХИТ одноразового действия (иначе, первичный ХИТ).
Если окислитель и восстановитель хранятся вне элемента и в процессе его работы подаются к электродам, которые не расходуются, то такой элемент может работать длительное время и называется топливным элементом.
Любой гальванический элемент состоит их двух (или более) полуэлементов (иначе электродов), соединенных между собой металлическим проводником. В этом случае электрод, имеющий меньшее значение потенциала, называется анодом и обозначается знаком «–». На аноде идет процесс окисления частиц восстановителя. Электрод, обладающий большим потенциалом, называется катодом и обозначается знаком «+». На катоде происходит восстановление частиц окислителя. Переход электронов от восстановителя на окислитель происходит по металлическому проводнику, соединяющему полуэлементы, который называют – внешняя цепь. ОВР, которая лежит в основе работы гальванического элемента, называется токообразующей реакцией.
Подробнее принцип действия гальванического элемента рассмотрим на примере медно-никелевого элемента, в котором медная и никелевая пластины помещены в растворы своих сульфатов (см. рис. 1). Для предотвращения прямого взаимодействия реактивов растворы NiSO4 и CuSO4 разделены пористой перегородкой (как на рисунке) или находятся в разных сосудах, а электрический контакт в этом случае обеспечивается электролитическим мостиком (раствор КС1, помещеный в П-образную стеклянную трубку).
При контакте каждого из металлов с раствором, на границе между фазами «металл» – «раствор» возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие
-
Ni Ni2+ + 2ē, 2) Сu Сu2+ + 2ē .
Каждому такому равновесию соответствует определенное значение равновесного электродного потенциала Е и Е. В стандартных условиях, то есть при давлении Р = 1 атм, температуре Т = 298 К и активности ионов Меn+ в растворе а= 1 моль/дм3, равновесный потенциал никелевого электрода Е0= 0,25 В, а равновесный потенциал медного электрода Е0= + 0,34 В.
ē ē
анод катод
() (+)
Ni2+ Сu2+
Ni/ \Cu
Ni2+ + SO42 Сu2+ + SO42
1
Рис. 1. Схема медно-никелевого гальванического элемента
1 – пористая перегородка
При замыкании внешней цепи в силу разности потенциалов электроны от никелевого электрода будут переходить на медный электрод, в цепи появится электрический ток. Переход электронов нарушит установившиеся ранее равновесия на границах «металл» – «раствор». Чтобы вернуться в состояние равновесия, никелевый электрод начнет окисляться (выполнять функцию анода «–»), а ионы меди – восстанавливаться (выполнять функцию катода «+»)
-
Ni0 2ē Ni2+,
-
Сu2+ + 2ē Cu0 .
Данные процессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются потенциалы электродов, или не растворится весь никель (или не высадится на медном электроде вся медь).
Суммарная токообразующая реакция, протекающая в данном гальваническом элементе, передается уравнением
CuSO4 + Ni = NiSO4 + Сu .
Гальванические элементы принято записывать в виде схем, в которых одна вертикальная линия изображает границу раздела фаз «металл» – «раствор», а две вертикальные линии – границу между двумя растворами. Таким образом, схема Cu-Ni гальванического элемента записывается в виде
() Ni NiSO4 CuSO4 Cu (+) .
Основной характеристикой работы гальванического элемента является его электродвижущая сила (ЭДС) Е - это максимальная разность потенциалов между электродами, которая может быть получена при работе элемента
Е = Екатод - Еанод . (4)
Поскольку потенциал катода всегда больше потенциала анода, то из формулы (4) следует, что в работающем гальваническом элементе Е > 0.
ЭДС гальванического элемента связана с изменением энергии Гиббса токообразующей реакции G формулой (2), из которой следует, что ЭДС гальванического элемента можно вычислить по уравнению
, (5)
где F – постоянная Фарадея (F = 96485 » 96500 Кл/моль); n – число электронов, участвующих в данном процессе.
Для расчета ЭДС по уравнению (4) необходимо знать значения электродных потенциалов, установившихся в указанных условиях.
Потенциал металлического электрода Е зависит от природы металла, температуры и активности ионов Men+ в растворе. В основном величина потенциала определяется природой металла, тогда как влияние других факторов менее значительно.
Потенциалы электродов рассчитывают по уравнению Нернста, которое при температуре 298 К имеет вид:
1) для металлического электрода I рода, то есть когда металл Ме помещен в раствор, содержащий ионы данного металла Меn+
, (6)
где Е – стандартный электродный потенциал металла (см. приложение 1), В; а – активность ионов металла в растворе, моль/дм3.
При расчетах потенциалов металлических электродов, помещенных в разбавленные растворы солей, активность ионов металла можно считать приблизительно равной их молярной концентрации а [Меn+], при этом формула (6) примет вид
, (7)
где [Меn+] – молярная концентрация ионов металла в растворе, моль/дм3;
2) для водородного электрода при давлении водорода= 1 атм
(8)
где а– активность ионов водорода в растворе, моль/дм3; рН – водородный показатель среды.