- •Федеральное агентство по образованию
- •Окислительно-восстановительные реакции Краткие теоретические сведения
- •Примеры решения задач
- •Электрохимические процессы Краткие теоретические сведения
- •Примеры решения задач
- •Коррозия металлов Краткие теоретические сведения
- •Примеры решения задач
- •Список литературы
- •Содержание
Примеры решения задач
Пример 1. Определите потенциал никелевого электрода, если концентрация ионов Ni2+ в растворе составляет 0,02 н.
Р е ш е н и е
Определим молярную концентрацию ионов никеля в растворе
[Ni2+] = моль/дм3
где z = 2 – число эквивалентности ионов Ni2+.
По справочнику [8] выбираем Е= –0,250 В. По формуле (4) вычисляем потенциал никелевого электрода
В.
Пример 2. Определите концентрацию ионов ОН– в растворе, если потенциал водородного электрода, помещенного в данный раствор равен ‑0,786 В.
Р е ш е н и е
Из формулы (6) определим рН раствора
Тогда гидроксильный показатель воды
рОН = 14 – рН = 14 – 13,32 = 0,68
Отсюда концентрация ионов ОН–
моль/дм3.
Пример 3. Определите рН водного раствора соли с моль/л, при котором будет растворяться олово.
Р е ш е н и е
Растворение олова описывается уравнением
Sn − 2ē → Sn2+.
Это анодный процесс и олово выступает как восстановитель. Катодным будет являться процесс, описываемый реакцией
2Н+ + 2 ē → Н2.
Стандартный потенциал оловянного полуэлемента берем в справочнике [8]: Е= –0,141 В, а потенциал катодной реакции следует оценить по формуле (6).
Для реализации любого окислительно-восстановительного процесса необходимо, чтобы потенциал окислителя был больше потенциала восстановителя, то есть . Или
−0,059·рН > −0,141B.
Решая это неравенство относительно рН, получим рН < 2,39.
Пример 4. Рассчитайте потенциал свинцового электрода, помещенного в насыщенный раствор йодида свинца (= 8,7·10-9, ).
Р е ш е н и е
Йодид свинца (II) – труднорастворимое соединение, сильный электролит. Равновесие между твердой фазой и ионами, перешедшими в раствор, передается схемой
PbI2 ↔ Pb2+ + 2 I–.
Тогда выражение для произведения растворимости имеет вид
,
так как [Pb2+] = L, а [I−] = 2 L, где L – растворимость соли, моль/дм3.
Из данного выражения следует, что
.
Подставив это выражение в уравнение Нернста для свинцового электрода, получаем
.
Пример 5. Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС и G для гальванического элемента, составленного из свинцового и медного электродов, погруженных в растворы их солей с концентрациями ионов Pb2+ и Cu2+ равными 0,1 М и 0,05 М соответственно.
Р е ш е н и е
По справочнику выбираем стандартные потенциалы для данных металлов и по формуле (4) вычисляем их потенциалы в указанных растворах
В.
В.
Потенциал медного электрода больше потенциала свинцового электрода, значит Pb – анод, а Cu – катод. Следовательно, в элементе протекают процессы
На аноде: Pb – 2 Pb2+
На катоде: Cu2+ + 2 Cu
Токообразующая реакция: Pb + Cu2+ = Pb2+ + Cu.
Схема элемента: (-) PbPb2+Cu2+Cu (+)
По формуле (11) определяем ЭДС данного гальванического элемента
Е = 0,298 – (–0,156) = 0,454 В.
По уравнению (2) вычислим DG данного процесса
–87622 Дж = –87,6 кДж.
Пример 6. При температуре 298 К определите ЭДС гальванического элемента, один из электродов которого кислородный со стандартным давлением кислорода и рН раствора равным 4, а второй – алюминиевый массой 4,5 г с активностью ионов алюминия 110–3 моль/дм3. Приведите уравнения электродных процессов и токообразующей реакции, а также рассчитайте при н.у. объём поглощенного кислорода, если алюминиевый электрод растворится полностью. Коэффициент выхода по току примите равными единице. ;.
Р е ш е н и е
По значениям стандартных электродных потенциалов определяем, что алюминиевый электрод является анодом, на котором идет процесс окисления
(−) А: Al − 3ē → Al3+,
а кислородный электрод – катодом, на котором идет реакция восстановления
(+) К: О2 + 4Н+ + 4ē → 2Н2О.
Уравнение токообразующего процесса с учётом равенства числа отданных и принятых электронов
4Al + О2 + 12Н+ → 6Н2О + 4Al3+.
Потенциалы электродов рассчитаем по формулам (4) и (8)
;
.
ЭДС гальванического элемента определяем по соотношению (11)
.
Для определения объема поглощенного кислорода воспользуемся вторым законом Фарадея [формула (15)]
.
Пример 7. Вычислите стандартную ЭДС и теоретическое время работы серебряно-цинкового элемента, в котором протекает токообразующая реакция Ag2O + Zn → ZnO + 2Ag, если при постоянном токе 0,2 А израсходовано 13,8 г цинка. ;.
Р е ш е н и е
Электродные процессы могут быть представлены уравнениями
(−) А: Zn + 2OH− − 2ē → ZnO + H2O
(+) К: Ag2O + H2O +2ē → 2Ag + 2OH−
Стандартную ЭДС рассчитываем по разности стандартных потенциалов между катодом и анодом
Е0 = 0,344 – (−1,246) = 1,590 В.
Используя уравнение (13), находим время работы элемента до полного расходования цинка
.
Пример 8. Запишите реакции, протекающие на графитовых электродах при электролизе водного раствора бромида никеля, если концентрация соли в растворе равна 0,1 моль/дм3, а рН раствора равен 8.
Р е ш е н и е
Бромид никеля NiBr2 - сильный электролит, то есть в растворе распадается на ионы по схеме
NiBr2 Ni2+ + 2Br–
У катода будут находиться частицы Ni2+ и Н2О, которые могут восстановиться следующим образом
а) Ni2+ + 2 Ni б) 2Н2О + 2ē Н2 + 2ОН–
Определим потенциалы конкурирующих процессов по уравнению Нернста (формулы 4 и 6 соответственно)
В;
Е= –0,059рН = –0,0598 = –0,472 В.
Окислительно-восстановительный потенциал никеля больше потенциала восстановления воды более чем на 0,1 В, значит на катоде происходит восстановление только ионов Ni2+.
На инертном аноде будут окисляться ионы брома, так у молекул воды окислительно-восстановительный потенциал с учетом кислородного перенапряжения выше, чем потенциал выделения брома. Таким образом, при электролизе раствора NiBr2 на графитовых электродах реализуются процессы
На катоде: Ni2+ + 2 Ni;
На аноде: 2Br– – 2 Br2;
Суммарная реакция: NiBr2 Ni + Br2.
Пример 9. Какие вещества и в каких количествах выделяться на железных электродах при электролизе водного раствора NaOH в течение 2 часов при силе тока 1,5 А, если выход по току принять равным 100 %?
Р е ш е н и е
У катода будет происходить восстановление молекул воды, так как потенциал восстановления ионов Na+ гораздо более отрицательнее, чем у Н2О. На железном (активном) аноде будет происходить окисление материала анода. Таким образом:
На катоде: 2Н2О + 2ē Н2 + 2ОН– ;
На аноде: Fe – 2 Fe2+ ;
Суммарная реакция: Fe + 2H2O H2 + Fe(OH)2.
По формуле (13) определим массу гидрооксида железа (II)
г.
По формуле (14) определяем объем водорода при нормальных условиях
дм3.
Пример 10. Постоянный ток проходит через три последовательно соединенных электролизёра, в каждом из которых находятся водные растворы следующих электролитов: в первом – сульфата никеля, втором – сульфата железа (III), в третьем – хлорида железа (II). Определите массы выделившихся на катодах металлов, если на аноде последнего электролизёра выделилось 1,12 л хлора, измеренных при н.у.
Р е ш е н и е
Для определения масс металлов, выделившихся на электродах, воспользуемся вторым законом Фарадея [формула (15)], зная, что эквивалентный объем хлора при н.у. равен 11,2 л/моль. Тогда в первом электролизере
,
где число эквивалентности z = 2, так как на восстановление каждого иона Ni2+ требуется два электрона.
Во втором электролизере на катоде идет процесс Fe3+ + 3e Fe, поэтому число эквивалентности z = 3, а масса железа, выделившегося на электроде
.
В третьем электролизере реализуется процесс Fe2+ + 2e Fe, значит
.
Пример 11. При электролизе водного раствора нитрата висмута на катоде в течении 1,5 ч выделилось 18 г висмута. Выход по току составил 97%. При какой силе тока осуществлялся процесс?
Р е ш е н и е
Нитрат висмута Bi(NO3)2 – сильный электролит, в водном растворе распадается на ионы по схеме
Bi(NO3)3 Bi3+ + 3NO.
У катода будут находиться частицы Bi3+ и Н2О, которые могут восстановиться следующим образом
а) Bi3+ + 3 Bi, = 1,215B;
б) 2Н2О + 2ē Н2 + 2ОН–, = –0,413В (при рН=7).
Окислительно-восстановительный потенциал висмута больше потенциала восстановления воды более чем на 0,1 В, значит на катоде происходит восстановление только ионов Вi3+.
На инертном аноде будут окисляться молекулы воды, так как окислительно-восстановительный потенциал нитрат ионов с учетом кислородного перенапряжения выше, чем потенциал окисления молекул воды. Таким образом, при электролизе раствора Bi(NO3)3 на графитовых электродах реализуются процессы
На катоде: Вi3+ + 3 Вi
На аноде: 2Н2О – 4ē О2 + 4Н+
Суммарная реакция: 4Вi2+ + 6Н2О 4Вi + 3О2 + 12Н+
4Bi(NO3)3 + 6Н2О 4Вi + 3О2 + 12НNO3.
По формуле (16) определим теоретическую массу выделившегося висмута
г.
По уравнению (13) определим силу тока
А.