5.2 Химические источники энергии

711. Гальванические элементы – устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую. Простейшим гальваническим элементом является элемент Даниэля-Якоби, разработанного в 1836 году. Элемент Даниэля-Якоби представляет собой медно-цинковый элемент. Медный и цинковый электроды погружены в растворы своих солей и образуют полуэлементы, их разграничивает пористая перегородка, препятствующая смешению растворов, но пропускающая сульфат-анионы.

анод (-) Zn|ZnSO₄, H₂O||CuSO₄ , H₂O |Cu(+) катод

(-) Zn – 2e^- = Zn²⁺

(+) Cu²⁺ + 2e^- = Cu

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu

Источником электрического тока при работе этого элемента является пространственно разделенная окислительно-восстановительная реакция вытеснения более активного металла менее активным из его соли.

712. При работе гальванических элементов стандартными называют условия Т = 298 К, Р = 1.013*10⁵ Па, концентрация катионов соли в растворе – 1 г-ион/л. Элемент Даниэля-Якоби представляет собой медно-цинковый элемент. Медный и цинковый электроды погружены в растворы своих солей и образуют полуэлементы, их разграничивает пористая перегородка, препятствующая смешению растворов, но пропускающая сульфат-анионы.

анод (-) Zn|ZnSO₄, H₂O||CuSO₄ , H₂O |Cu(+) катод

(-) Zn – 2e^- = Zn²⁺

(+) Cu²⁺ + 2e^- = Cu

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu

ЭДС = E⁰(Cu²⁺/Cu) - E⁰(Zn²⁺/Zn) = 0.34 – (-0.76) = 1.10 В.

713. Электрод – металлическая пластина ,контактирующая с электролитом, являющаяся передатчиком электронов от восстановителя к внешнему проводнику и от внешнего проводника к окислителю. Положительно заряжен катод, на котором протекает реакция восстановления (Cu²⁺ + 2e^- = Cu). Отрицательно заряжен анод, на котором протекает реакция окисления (Zn - 2e^- = Zn²⁺).

714. В основу работы гальванического элемента можно положить реакции: Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu, Fe + Pb²⁺ = Fe²⁺ + Pb, KMnO₄ + FeSO₄ + H₂SO_­4 = MnSO_­4 + Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O, K₂Cr₂O₇ + K₂SO₃ + H₂SO_­4 = Cr₂(SO_­4)₃ + K₂SO₄ + H₂O.

анод (-) Zn|ZnSO₄, H₂O||CuSO₄ , H₂O |Cu(+) катод

(-) Zn – 2e^- = Zn²⁺

(+) Cu²⁺ + 2e^- = Cu

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu

715. В основе расчета ЭДС лежит термодинамический принцип.

анод (-) Zn|ZnSO₄, H₂O||CuSO₄ , H₂O |Cu(+) катод

(-) Zn – 2e^- = Zn²⁺

(+) Cu²⁺ + 2e^- = Cu

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu

ЭДС = E⁰(Cu²⁺/Cu) - E⁰(Zn²⁺/Zn) = 0.34 – (-0.76) = 1.10 В.

(-)Zn|ZnSO₄||AgNO₃|Ag(+)

Cн(ZnSO₄)=0.01н., Cн(AgNO₃)=0.1н.,T = 27^oC =300 K

(-) Zn – 2e^- = Zn²⁺

(+) Ag¹⁺ + 1e^- = Ag Zn +2Ag¹⁺ = Zn²⁺ + Ag

[Zn²⁺] = Cм(ZnSO₄) = Сн/2 = 0.01/2 = 0.005 моль/л

[Ag⁺] = Cм(AgNO₃) = Сн = 0.1 моль/л

ЭДС = E(Ag⁺/Ag) - E(Zn²⁺/Zn) = E⁰(Ag⁺/Ag) - E⁰(Zn²⁺/Zn) + = -0.8 – (-0.76) + = 1.58B

716.

Дано: Cн(ZnSO4)=0.01н. Cн(AgNO3)=0.1н. T = 27^oC =300 K ЭДС = ?.

(-)Zn|ZnSO4||AgNO3|Ag(+) (-) Zn – 2e^- = Zn^2+ (+) Ag^1+ + 1e^- = Ag Zn +2Ag^1+ = Zn^2+ + Ag [Zn^2+] = Cм(ZnSO4) = Сн/2 = 0.01/2 = 0.005 моль/л [Ag^+] = Cм(AgNO3) = Сн = 0.1 моль/л ЭДС = E(Ag^+/Ag) - E(Zn^2+/Zn) = E^0(Ag^+/Ag) - E^0(Zn^2+/Zn) + = -0.8 – (-0.76) + = 1.58B

717.

Дано: Cн(Mg(NO3)2)=0.2н. Cн(SnSO4) = 0.03н. T = 17^oC = 290 K ЭДС = ?.

(-)Mg|Mg(NO3)2||SnSO4|Sn(+) (-) Mg – 2e^- = Mg^2+ (+) Sn^2+ + 2e^- = Sn Mg + Sn^2+ = Mg^2+ + Sn [Mg^2+] = Cм(Mg(NO3)2) = Сн/2 = 0.2/2 = 0.1 моль/л [Sn^2+] = Cм(SnSO4) = Сн/2 = 0.03/2 = 0.015 моль/л ЭДС = E(Sn^2+/Sn) - E(Mg^2+/Mg) = E^0(Sn^2+/Sn) - E^0(Mg^2+/Mg) + = -0.14 + 2.37 + = 2.21 В.

718.

Дано: Cн(Fe(NO3)2)=0.03н. Cн(Pb(NO3)2)=0.1н. T = 37^oC = 310 K ЭДС = ?.

(-)Fe|Fe(NO3)2|| Pb(NO3)2|Pb(+) (-) Fe – 2e^- = Fe^2+ (+) Pb^2+ + 2e^- = Pb Fe + Pb^2+ = Fe^2+ + Pb [Fe^2+] = Cм(Fe(NO3)2) = Сн/2 = 0.03/2 = 0.015 моль/л [Pb^2+] = Cм(Pb(NO3)2) = Сн/2 = 0.1/2 = 0.05 моль/л ЭДС = E(Pb^2+/Pb) - E(Fe^2+/Fe) = E^0(Pb^2+/Pb) - E^0(Fe^2+/Fe) + = -0.13 + 0.45 + = 0.34 В.

719.

Дано: Cн(MnCl2)=0.01н. Cн(CdCl2)= 0.5н. T = 25^oC = 298 K ЭДС = ?.

(-)Mn|MnCl2||CdCl2|Cd(+) (-) Mn – 2e^- = Mn^2+ (+) Cd^2+ + 2e^- = Cd Mn+ Cd^2+=Mn^2+ +Sn [Mn^+] = Cм(MnCl2) = Cн/2 = 0.01/2 = 0.005 моль/л [Cd^2+] = Cм(CdСl2) = Сн/2 = 0.05/2 = 0.025 моль/л ЭДС = E(Cd^2+/Cd) - E(Mn^2+/Mn) = E^0(Cd^2+/Cd) - E^0(Mn^2+/Mn) + = -0.40 + 1.17 + = 0.749 В.

720.

Дано: Cн(NiCl2) = 0.04н. Cн(CuCl2)= 0.08н. T = 65^oC = 338 K ЭДС = ?.

(-)Ni|NiCl2||CuCl2|Cu(+) (-) Ni – 2e^- = Ni^2+ (+) Cu^2+ + 2e^- = Cu Ni + Cu^2+ = Ni^2+ + Cu [Ni^2+] = Cм(NiCl2) = Сн/2 = 0.04/2 = 0.02 моль/л [Сu^2+] = Cм(CuCl2) = Сн /2= 0.08/2 = 0.04 моль/л ЭДС = E(Cu^2+/Cu) - E(Ni^2+/Ni) = E^0(Cu^2+/Cu) - E^0(Ni^2+/Ni) + = 0.34 + 0.25 + = 0.6 В.

721.

Дано: Cн(Cd(NO3)2)=0.06н. Cн(AgNO3) = 0.05н. T = 57^oC = 330 K ЭДС = ?.

(-)Cd|Cd(NO3)2||AgNO3|Ag(+) (-) Cd – 2e^- = Cd^2+ (+) Ag^+ + e^- = Ag Cd + 2Ag^+ = Cd^2+ + 2Ag Cd + 2AgNO3 = Cd(NO3)2 + 2Ag [Cd^2+] = Cм(Cd(NO3)2) = Сн/2 = 0.06/2 = 0.03 моль/л [Ag^+] = Cм(AgNO3) = Сн = 0.05 моль/л ЭДС = E(Ag^+/Ag) - E(Cd^2+/Cd) = E^0(Ag^+/Ag) - E^0(Cd^2+/Cd) + - = 0.8 + 0.4 + - = 1.15 В

722.

Дано: Cн(Sn(NO3)2)=0.07н. Cн(Hg(NO3)2)=0.09н. T = 23^oC = 290 K ЭДС = ?.

(-)Sn|Sn(NO3)2||Hg(NO3)2|Hg(+) (-) Sn – 2e^- = Sn^2+ (+) Hg^2+ + 2e^- = Hg Sn + Hg^2+ = Sn^2+ + Hg Sn + 2Hg(NO3)2 = Sn(NO3)2 + Hg [Sn^2+]= Cм(Sn(NO3)2) = Сн/2 = 0.07/2 = 0.035 моль/л [Hg^2+]= Cм(Hg(NO3)2) = Сн/2 = 0.09/2 = 0.045 моль/л ЭДС = E(Hg^2+/Hg) - E(Sn^2+/Sn) = E^0(Hg^2+/Hg) - E^0(Sn^2+/Sn) + = 0.79 + 0.14 + = 0.94 В

723.

Дано: Cн(Al2(SO4)3)=0.3н. Cн(Bi(NO3)3)=0.3н. T = 33^oC = 310 K ЭДС = ?.

(-)Al|Al2(SO4)3||Bi(NO3)3|Bi(+) (-) Al – 3e^- = Al^3+ (+) Bi^3+ + 3e^- = Bi Al + Bi^3+ = Al^3+ + Bi [Al^3+]= Cм(Al2(SO4)3) = Сн/3 = 0.3/3 = 0.1 моль/л [Bi^3+]= Cм(Bi(NO3)3) = Сн/3 = 0.3/3 = 0.1 моль/л ЭДС = E(Bi^3+/Bi) - E(Al^3+/Al) = E^0(Bi^3+/Bi) - E^0(Al^3+/Al) + = 0.2 + 1.62 + = 1.82 В

724.

Дано: Cн(CaCl2) = 0.5 н. Cн(H2SO4)=0.02н. T = 20^oC = 293 K ЭДС = ?.

(-)Ca|CaCl2||H2SO4|H2(Pt)(+) (-) Сa – 2e^- = Ca^2+ (+) 2H^+ + 2e^- = H2 Ca + 2H^+ = Ca^2+ + H2 [Ca^2+] = Cн(CaCl2) = 0.5 н = 0.25 моль/л [Н^+] = 2Cн(H2SO4) = 0.04 н = 0.02 моль/л ЭДС = E(H^+/H2) - E(Ca^2+/Ca) = E^0(H^+/H2) - E^0(Ca^2+/Ca) + - = 0 + 2.87 + - = 2.79 В.

725.

Дано: Cн(Li2SO4) = 0.1н Cн(AgNO3) = 0.1н T = 0^oC = 273 K ЭДС = ?.

(-)Li|Li2SO4||AgNO3|Ag(+) (-) Li – 1e^- = Li^+ (+) Ag^+ + 1e^- = Ag Li + Ag^+ = Li^+ + Ag [Li^+] = 2Cм(Li2SO4) = Сн = 0.1 моль/л [Ag^+] = Cм(AgNO3) = Сн = 0.1 моль/л ЭДС = E(Ag^+/Ag) - E(Li^+/Li) = E^0(Ag^+/Ag) - E^0(Li^+/Li) + = 0.8 + 3.02 + = 3.82 В.

726. Гальванический элемент с максимальным значением ЭДС: (-)Li|Li₂SO₄||AuNO₃|Au(+) ЭДС = E^o(Au⁺/Au) - E^o(Li⁺/Li) = 1.68+3.02 = 4.7 В

727.

А) Медь – анод. (-)Cu|CuSO₄||Ag₂SO₄|Ag(+) E = E⁰(Ag⁺/Ag) - E⁰(Cu²⁺/Cu) = 0.8 – 0.34 = 0.46 В.

Б) Медь – катод. (-)Fe|FeSO₄||СuSO₄|Cu(+) E = E⁰(Cu²⁺/Cu) - E⁰(Fe²⁺/Fe) - = 0.34 + 0.45 = 0.79 В.

728. KMnO₄ + FeSO₄ + H₂SO_­4 = MnSO_­4 + Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O.

(-)Fe|Fe²⁺,Fe³⁺||MnO₄^-, Mn²⁺|Fe(+)

729. K₂Cr₂O₇ + K₂SO₃ + H₂SO_­4 = Cr₂(SO_­4)₃ + K₂SO₄ + H₂O.

Cr₂O₇^2-,Cr³⁺:φ⁰ = 1.33 B, SO₃^2-, SO₄^2-: φ⁰ = 0.17 B

(-)Pt| SO₃^2-, SO₄^2-, H⁺|| Cr₂O₇^2-,Cr³⁺, H⁺ |Pt(+)

730.

(-)Pt, H₂| H⁺|| H⁺ | H₂, Pt(+)

pH₁ =4 pH₂ = 2

pH = -lgC(H⁺), C₁(H⁺) = 10^-2 , C₂(H⁺) = 10^-4 . E⁰ (H₂/H⁺) = 0 B.

E =

731. Концентрационные элементы – гальванические элементы, образованные одинаковыми электродами, опущенными в растворы своих солей разной концентрации.

(-)Cu| CuSO₄(C₁ = 0.1%)|| CuSO₄(C₂ = 5.0%) | Cu (+)

ЭДС = (0.059/z)*lg(C₂/C₁) = (0.059/2)lg(5/0.1) = 0.05 В.

732. Топливный элемент – это гальванический элемент, в котором в качестве активного материала отрицательного электрода используются либо природное топливо (природный газ, содержащий углеводород), либо водород, окись углерода и др. восстановители. Активным материалом положительного материала служит кислород. Токообразующая реакция сводится к окислению топлива.

Водород-кислородный ТЭ разделен электродами на три плоскости – водородную, кислородную и промежуточную, заполненную электролитом. Электроды изготовлены из пористого никеля, электролитом является раствор КОН, водород и кислород подаются под давлением 30-75 атм. Элемент работает при Т=200⁰ С. Схема: (-)Н₂| КОН, Н₂О| O₂(+)

Анод: 2Н₂ – 4е^- + 4ОН^- = 4Н₂О, катод: О_{2 +} 4е^- + 2Н₂О = 4ОН^-

Общая реакция: 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О.

733. Аккумуляторы – химические источники тока, которые могут быть использованы многократно. Их работоспособность восстанавливается многократно, т.к. в основе их действия лежат химически обратимые процессы. Свинцовый аккумулятор состоит из чередующихся пластин, одна из которых представляет собой PbO₂ , а вторая – металлический свинец в виде пористой губки. Пластины погружены в 35-40% раствор серной кислоты. Электрохимическая схема заряженного аккумулятора: (+)PbO₂|H₂SO₄,H₂O|Pb(-)

При работе (разрядке) протекают реакции: (+)Pb –2e ^- + SO₄^2- = PbSO₄ , (-)PbO₂ +2e ^- + SO₄^2- + 4H⁺ = PbSO₄ + 2H₂O.

Электрохимическая схема разряженного аккумулятора: (-)PbSO₄|H₂SO₄,H₂O|PbSO₄(+)

Протекают процессы: (-)PbSO₄+2e ^- = Pb^- + SO₄², (+)PbSO₄ -2e ^- + 2H₂O.= PbO₂+ + SO₄^2- + 4H⁺

734.

Дано: E(Zn^2+/Zn)=-0.81В C(ZnCl2) = 0.07 м. a(ZnCl2) = ?.

E(Zn^2+/Zn) = E^o(Zn^2+/Zn) + = -0.76 + (0.059/2) * lg(i*0.07) = -0.81, следовательно, i = 1.8. a = (i-1)(m-1) = (1.8-1)/(2-1) = 0.8 = 80%, где m – количество ионов, на которые диссоциирует электролит.

735.

Дано: E(Ag^+/Ag) = 0.59 В S(Ag2CrO4) = ?.

E(Ag^+/Ag) = E^o(Ag^+/Ag) + = 0.8 + 0.059*lg[Ag^+] = 0.59, следовательно, [Ag^+] = 2.8*10^-4 м. S = = 1.66*10^-2

736.

Дано: E(Ag^+/Ag)=0.51 В ПР(AgСl) = ?.

E(Ag^+/Ag) = E^o(Ag^+/Ag) + = 0.8 + 0.059*lg[Ag^+] = 0.51, следовательно, [Ag^+] = S = 1.2*10^-5 м. ПР = S^2 = 1.47*10^-10 (S-растворимость)

737.

(-)Mg|Mg²⁺||Ag⁺|Ag(+)

E = E⁰(Ag⁺/Ag) - E⁰(Mg²⁺/Mg) = 0.8 + 2.37 = 3.17 B

ΔG⁰ = -zFE = -2*96500*3.17 = -611.81 кДж/моль

ΔG⁰ = -RTlnKp = 8.31*298*lnKp = 611.81, следовательно, Кр = 1.28

738.

(-)Fe|Fe²⁺||Cu²⁺|Cu(+)

E = E⁰(Cu⁺²/Cu) - E⁰(Fe²⁺/Fe) = 0.34 - (-0.45) = 0.79 B

ΔG⁰ = -zFE = -2*96500*0.79 = -152.5 кДж/моль

ΔG⁰ = -RTlnKp = 8.31*298*lnKp = 152.5, следовательно, Кр = 5.5*10²⁶.

739.

Дано: Cм(FeSO4)=1м. ЭДС = 0 В. Cм(CdSO4) = ?.

(-)Fe|FeSO4||CdSO4|Cd(+) ЭДС = E(Fe^2+/Fe) - E(Cd^2+/Cd) = E^0(Fe^2+/Fe) - E^0(Cd^2+/Cd) + . 0= -0.40 + 0.45 + , следовательно, [Cd^2+] = Cм(CdSO4) =0.02 м.