Электродные процессы и гальванические элементы

Если металлическую пластину опустить в воду или электролит, то расположенные на ее поверхности катионы металла гидратируются полярными молекулами воды и переходят в воду или раствор электролита. При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, заряжают примыкающий к поверхности слой отрицательно. Ввиду сил электростатического взаимодействия катионы металла, перешедшие в электролит, притягиваются к поверхности металла, образуя так называемый двойной электрический слой, по своему устройству напоминающий заряженный плоский конденсатор.

Образовавшийся двойной электрический слой препятствует дальнейшему растворению металла и система металл-раствор переходит в состояние термодинамического равновесия. В этом состоянии между металлом и раствором возникает устойчивая разность потенциалов (скачок потенциала), называемая электродным потенциалом металла. Абсолютное значение электродного потенциала определить невозможно. Поэтому определяют относительные электродные потенциалы (разность электродного потенциала исследуемого металла и электрода сравнения). В качестве электрода сравнения выбран водородный электрод, потенциал которого при стандартных условиях (Т = 298 К, Р = 1 атм.) и [H⁺] = 1 моль/л принимается равным нулю.

Стандартным электродным потенциалом металла (Е⁰) называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственных ионов с концентрацией 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом.

Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов, получаем «ряд напряжений металлов». Чем меньше значение Е⁰, тем более сильным восстановителем является металл.

В электрохимических преобразователях энергии (гальванических и топливных элементах, аккумуляторах) протекают ОВР.

Окислительно-восстановительная реакция, которая характеризует работу гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС элемента имеет положительное значение.

Примеры решения задач

Пример 1. Определите электродный потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 моль/л.

Решение. Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

Е = Е⁰ + 0,059 lgC ,

n

Е⁰ – стандартный электродный потенциал;

n – число электронов, принимающих участие в процессе;

С – концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Е⁰ для никеля равен – 0,25 В (из таблицы).

Определим электродные потенциалы металла при данной концентрации:

Е = - 0,25 + 0,059 lg10^-3 = - 0,339 В.

2

Пример 2. Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, погруженные в растворы их ионов с концентрацией 1моль/л. Какой металл является анодом, какой - катодом? Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его ЭДС.

Решение. Схема гальванического элемента:

(-) Mg  Mg²⁺  Zn²⁺ Zn (+)

Mg имеет меньший потенциал -2,37 В и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Mg – 2e^- = Mg²⁺ (1)

Цинк, потенциал которого -0,76 В, - катод, то есть электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Zn²⁺ + 2е^- = Zn⁰ (2)

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:

Mg + Zn²⁺ = Mg²⁺ + Zn⁰

Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода вычитаем потенциал анода. Концентрация ионов в растворе 1 моль/л, то ЭДС элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:

ЭДС = Е⁰_катода – Е⁰_анода = -0,763 - (-2,37) = 1,607 В.

Контрольные задания

241. Вычислите стандартную ЭДС гальванического элемента, составленного из магниевого и медного электродов. Напишите уравнение анодного и катодного процессов.

Ответ: 2,72 В

242. Вычислите ЭДС гальванического элемента, составленного из алюминиевой и медной пластин, погруженных в их одномолярные растворы. Напишите уравнения анодного и катодного процессов.

Ответ: 2,03 В

243. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых свинец является катодом, а в другом – анодом. Напишите для каждого из этих элементов уравнение анодного и катодного процессов. Рассчитайте стандартную ЭДС этих элементов.

244. Рассчитайте ЭДС гальванического элемента, составленного из стандартного водородного электрода и водородного электрода, погруженного в раствор с рН=10. На каком электроде водород будет окисляться, а на каком - восстанавливаться?

Ответ: 0,59 В

245. По уравнению токообразующей реакции составьте схему гальванического элемента:

Mg + ZnSO₄ = MgSO₄ + Zn

Напишите уравнения анодного и катодного процессов. Рассчитайте стандартную ЭДС.

Ответ: 1,607 В

246. Вычислите электродный потенциал медного электрода в растворе его соли с концентрацией 0,01 моль/л. Составьте схему гальванического элемента, в котором медь является анодом. Напишите уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде. Рассчитайте стандартную ЭДС этого элемента.

Ответ: 0,281 В

247. Составьте схему гальванического элемента, уравнения полуреакций анодного и катодного процессов, молекулярное уравнение реакции, проходящей при работе гальванического элемента, анодом которого является никель. Подберите материал для катода. Рассчитайте стандартную ЭДС этого гальванического элемента.

248. Составьте схему гальванического элемента из цинка и свинца, погруженных в растворы их солей с концентрацией ионов

[Zn²⁺] = 0,01 моль/л, [Pb²⁺] = 1 моль/л.

Ответ: 0,692

249. Вычислите ЭДС концентрационного гальванического элемента, электроды которого сделаны из серебра. Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором один серебряный электрод погружен в 0,01 М раствор, а другой – в 0,1 М раствор.

Ответ: 0,059 В

250. Как изменится (увеличится, уменьшится) или останется постоянной масса свинцовой пластины, погруженной в раствор, содержащий соли Fe (II), Mg, Cu (II),

Ag (I). Напишите молекулярные уравнения реакций.

251. Какой должна быть концентрация ионов [Zn²⁺] в полуячейке, чтобы пара Zn/Zn²⁺ при Т=298 К имела электронный потенциал - 0,819 В ?

Ответ: 0,01 моль /л

252. Вычислите электродный потенциал водородного электрода в водном растворе кислоты с рН=3.

Ответ: -0,177 В

253. Серебряный электрод в растворе его соли имеет электродный потенциал 0,623 В. Вычислите концентрацию ионов серебра в растворе.

Ответ: 0,001 моль/л

254. ЭДС гальванического элемента, составленного из Ag и Cd электродов, при концентрации [Ag⁺] = 1 моль/л составила 1,32 В. Какой должна быть концентрация соли кадмия в растворе?

Ответ: 1,28 моль/л

255. По уравнению токообразующей реакции

Ni + CuSO₄ = NiSO₄ + Cu

составьте схему гальванического элемента. Напишите уравнения катодного и анодного процессов. Рассчитайте стандартную ЭДС этого элемента.

Ответ: 0,59 В

256. При какой концентрации ионов в растворе потенциал электрода Bi³⁺/ Bi равен 0,156 В?

Ответ: 0, 01 моль/л

257. Составьте схему гальванического элемента, составленного из Mg и Co . Напишите уравнения электродных процессов. Вычислите ЭДС этого элемента, если

[ Mg²⁺] = 1 моль/л, [ Co²⁺] = 0,1 моль/л.

Ответ: 0,456 В

258. Какой должна быть концентрация соли железа Fe²⁺ в растворе, чтобы элемент

(-) Fe / HCl / Cu (+) при [Cu²⁺] = 1 моль/л вырабатывал ЭДС = 0,839 В?

Ответ: 0,01 моль/л

259.Стандартный потенциал кобальта больше стандартного потенциала никеля. Изменится ли это соотношение, если изменить концентрации ионов никеля в растворе до 0,0001 моль/л, а кобальта – 0,1 моль/л?

260. Как работает свинцовый (кислотный) аккумулятор? Составьте уравнения полуреакций и зарядки – разрядки аккумулятора.

ЭЛЕКТРОЛИЗ