Аанионы соли Электродный процесс (31) Электродный процесс (32) или (33)

Рис. 2. Схема работы гальванического элемента

Электродвижущая сила Е характеризует способность гальванического элемента совершать электрическую работу:

Е =  _К  _А (34)

Электрическая работа определяется максимально полезной работой, совершаемой химической реакцией, которая равна изменению изобарно-изотермического потенциала G:

G=nFE, (35)

где n – число электронов.

Известно, что при самопроизвольном процессе G <0, поэтому величина Е должна быть больше нуля Е >0 и _К > _А.

Величина G связана с константой равновесия реакции соотношениями:

G =RTlnK_равн (36)

G =2,3RTlgK_равн, (37)

где R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/моль·К;

Т – температура.

Гальванические элементы являются первичными (однократно используемыми) химическими источниками тока (ХИТ). Вторичными (многократно используемыми) ХИТ являются аккумуляторы. Процессы, протекающие при зарядке и разрядке аккумуляторов, взаимообратны.

Гальванические элементы, у которых электроды выполнены из одного и того же металла и опущены в раствор своих солей разной концентрации, называются концентрационными. Функцию анода в таких элементах выполняет металл, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, например:

А Zn | ZnSO₄|| ZnSO₄| Zn K

C₁ < C₂

Пример 1. Составьте схему гальванического элемента, в основе работы которого лежит следующая реакция: Mg + ZnSO₄  MgSO₄ + Zn. Что является катодом и анодом в этом элементе? Напишите уравнения процессов, протекающих на электродах. Рассчитайте ЭДС элемента при стандартных условиях (Т=298 К) и определите, в каком направлении реакция протекает самопроизвольно. Вычислите константу равновесия для токообразующей реакции.

Решение. В таблице находим значения стандартных электродных потенциалов систем Zn/Zn²⁺ и Mg/Mg²⁺: ⁰_Zn/Zn²⁺= 0,76 B, ⁰_Mg/Mg²⁺= 2,37 B. Поскольку ⁰_Mg/Mg²⁺<⁰_Zn/Zn²⁺, то магниевый электрод является анодом, а цинковый катодом. Схема гальванического элемента имеет вид:

А Mg | MgSO₄ || ZnSO₄ | Zn K

На аноде идет процесс окисления:

А Mg – 2ē  Mg²⁺

На катоде – восстановление катионов среды:

К Zn²⁺+2ē  Zn

ЭДС гальванического элемента Е = _К_А =0,76(2,37) = 1,61 В.

Величина Е >0, следовательно, реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении. По уравнению (37) вычисляем константу равновесия токообразующей реакции:

lgK_равн.=.

Потенциируя это уравнение, находим К = 3,5·10⁵⁴. Поскольку К >> 1, то суммарная реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении и практически необратима.

Пример 2. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из цинкового и серебряного электродов, погруженных в растворы их солей с концентрациями ионов: С_Zn²⁺ = 0,1 моль/л, С_Ag⁺ = 0,01 моль/л. Укажите катод и анод. Напишите уравнения реакций, протекающих на данных электродах, а также суммарное уравнение реакции в гальваническом элементе. Рассчитайте ЭДС элемента.

Решение. Так как концентрации ионов не равны единице, то вначале рассчитаем потенциалы электродов, используя формулу Нернста. Если в условии задачи отсутствуют значения температуры, то её принимают равной стандартной температуре Т = 298 К. Поэтому будем использовать уравнение (30):

=⁰+.

Подставим числовые значения в эту формулу, используя данные табл. 6:

_Zn/Zn²⁺= 0,76 + B,

_Ag/Ag⁺= 0,80 + 0,741 B.

Из расчета видно, что _Zn/Zn²⁺< _Ag/Ag⁺. Поэтому цинковый электрод является анодом, а серебряный – катодом.

Схема гальванического элемента:

A Zn | Zn²⁺ || Ag⁺ | Ag K

Вычислим ЭДС элемента по формуле (34):

E= _К _А = 0,741 – (0,789) = 1,530 B

Теперь запишем электродные реакции.

На аноде идет процесс окисления:

А Zn – 2ē  Zn²⁺ ,

ана катоде – восстановления:

К 2Ag⁺ + 2 ē  2Ag.

Складывая уравнения электродных процессов (с учетом числа принимаемых и отдаваемых электронов), получаем суммарное уравнение реакции:

Zn + 2Ag⁺  Zn²⁺ + 2Ag.

ЗАДАЧИ

161-164. Напишите уравнения катодного и анодного процессов и составьте схему гальванического элемента, при работе которого протекает следующая реакция (см. номер задачи). На основании стандартных электродных потенциалов рассчитайте константу равновесия данной реакции и ЭДС элемента.

№ задачи	Реакция	Ответы
161	Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu	Кр = 2,5·10^37; Е = 1,103 В.
162	Sn + PbCl2 = SnCl2 + Pb	Кр = 2; Е = 9·10^^3 В.
163	Zn + Pb(NO3)2 = Zn(NO3)2 + Pb	Кр = 3,5·10^21; Е = 0,636 В.
164	Zn + CdSO4 = ZnSO4 + Cd	Кр = 1,56·10^12; Е = 0,36 В.

165-169. Постройте график зависимости ЭДС гальванического элемента от логарифма концентрации ионов металла одного из электродов в растворе:

а) 10; б) 1; в) 0,1; г) 0,01; д) 0,001 моль/л, считая концентрацию ионов другого металла постоянной и равной C_Me,₂.Напишите уравнение суммарной реакции, протекающей в гальваническом элементе. При каких концентрациях ионов элемент работает за счет протекания реакции в прямом направлении?

Ме₁– анод; Ме₂– катод.

№ задачи	Гальванический элемент	СМе,2, моль/л
165	Sn|Sn^2+||Pb^2+|Pb	0,1
166	Al|Al^3+||Fe^2+|Fe	1
167	Cd|Cd^2+||Ni^2+|Ni	10^^3
168	Ni  Ni^2+ Cu^2+ Cu	1
169	Fe  Fe^2+ Sn^2+ Sn	0,1

170-173. Запишите уравнения электродных реакций и составьте схему гальванического элемента, работа которого выражается уравнением, представленным в таблице. Рассчитайте его ЭДС при Т = 298 К и концентрациях солейС,в растворы которых опущены электроды. Сделайте вывод о том, в каком направлении возможно самопроизвольное протекание реакции.

Ме₁– анод, Ме₂– катод.

№ задачи	Реакция	С, моль/л	С, моль/л	Ответы
170	Fe + 2Ag^+2Ag + Fe^2+	0,01	0,1	1,24
171	Ni + Cu^2+Ni^2+ + Cu	0,1	0,1	0,59
172	Mg + Pb^2+ Mg^2+ + Pb	1	0,01	2,184
173	Zn + Ni^2+Ni + Zn^2+	0,01	0,01	0,513

174-177. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из металлов Ме₁и Ме₂, погруженных в растворы их солей при концентрацияхС,указанных в таблице. Напишите электронные уравнения катодных и анодных процессов. Рассчитайте ЭДС элемента. Изменится ли величина ЭДС, если концентрацию каждого из ионов понизить в 10 раз?

№ задачи	Ме1	Ме2	С, моль/л	С, моль/л	Ответы
174	Zn	Ni	0,01	0,01	0,513 В
175	Fe	Cu	0,1	0,01	0,750 В
176	Fe	Ag	0,001	0,01	1,210 В
177	Mg	Fe	0,01	1	1,99 В

178. Какой гальванический элемент называется концентрационным? Составьте схему, напишите уравнения катодного и анодного процессов, вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, опущенных: первыйв 0,01 М, второй – в 0,1 М растворыAgNO₃.

Ответ: 0,059 В.

179. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель был бы катодом, а в другом – анодом. Напишите для каждого из этих элементов уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде, рассчитайте их ЭДС при стандартных условиях. Изменится ли ЭДС, если концентрацию каждого из ионов уменьшить в 10 раз?

180. Железная и серебряная пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор серной кислоты.Составьте схему данного гальванического элемента и напишите электронные уравнения процессов, происходящих на катоде и аноде.