В В Приседський, В М Виноградов, О І Волкова - Курс загальної хімії у прикладах - страница 43

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67 

Так, схема розглянутого вище елементу записується таким чином

A (-) Zn | ZnSO4 || CUSO4 | Cu (+) K

або в іонному вигляді

A (-) Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu (+) K

Для роботи гальванічного елементу не обов'язково використовувати два різних електроліта, як в елементі Даніеля-Якобі. В принципі, достатньо одного електроліту, в якому знаходяться два струмопровідні електроди. Наприклад, мідно-цинковий ГЕ можна створити, зануривши мідний і цинковий електроди в розчин кислоти.

Приклад 18.1. Опишіть роботу ГЕ, що складається з мідної і цинкової пластин, які занурені в розчин соляної кислоти.

Розв'язання. У даному гальванічному елементі, як і в елементі Даніеля-Якобі, цинковий електрод, як електрод з меншим ОВ-потенціалом, є анодом, а мідний - катодом.

Схему цього гальванічного елементу можна записати так:

A (-) Zn | HCl | Cu (+) K

Цей запис є умовним. Він відображає тільки вихідний склад електроліту, але не напівелементів, що виникають і діють в цьому ХДС.

При роботі гальванічного елементу на аноді відбувається окиснення цинку

Zn - ® Zn2+,в результаті якого іони Цинку переходять в розчин, а електрони по зовнішньому колу напрямлено рухаються до мідного катода. Оскільки в електроліті є тільки один вид частинок (катіони Н+), які здатні відновлюватися і виступати в ролі окисника, на катоді відбувається відновлення Гідрогену

2Н+ + 2ё ® Н2.

Сумарне іонне рівняння струмоутворюючої реакції, що перебігає в цьому елементі, має вигляд

Zn + 2Н+ ® Zn2+ + Н2,

а молекулярне

 

Zn + 2НС1 ® ZnCl2 + Н2.

Зверніть увагу на те, що мідь з розчином соляної кислоти не взаємодіє, але, проте, при роботі гальванічного елементу водень виділяється саме на мідній пластині. Мідний електрод в цьому випадку грає роль тільки провідника струму, але не учасника ОВ-системи і, відповідно, - катодного процесу (напівреакції відновлення).

У розімкненому елементі (при дуже великому опорі зовнішнього кола: R ® ¥), на відміну від класичного елементу Даніеля-Якобі, окисник і відновник струмоутворюючої реакції не розділені і ОВР перебігає безпосередньо на поверхні цинку

Zn + 2НС1 ® ZnC12 + Н2.

Зменшуючи опір R (від ¥ до 0) і, тим самим, збільшуючи струм І (від 0 до струму короткого замикання Ікз) в зовнішньому колі, ми знижуємо частку ОВР, що перебігає безпосередньо на цинку, і можемо після досягнення деякої величини струму повністю припинити її. Тільки після цього вся енергія струмоутворюючої реакції перетворюватиметься в електричну.

З урахуванням процесів, що перебігають в елементі, і складу ОВ-систем, що виникають на електродах, схему ГЕ слід представити так

A (-) Zn | Zn2+, H+, Cl- | Н2 | Cu (+) K або в молекулярній формі

A (-) Zn | ZnC12, HC1 | Н2 | Cu (+) KКонтрольне питання. Срібло не витісняє водень з розчину кислоти. Чому ж водень виділяється на срібній пластині, якщо з'єднати її із залізною і обидві пластини занурити в розчин соляної кислоти?

Важливою характеристикою джерела струму є його електрорушійна сила (ерс) Е, визначувана як різниця потенціалів катода срК і анода срА ХДС при розімкненому зовнішньому колі (I = 0)

 

Е = Ррк - фА

За стандартних умов величини фК і Фа беруть з таблиць стандартних електродних потенціалів. В цьому випадку отримують стандартну ерс ХДС

Е°

 

Е° = ФК-Фа.

Легко бачити, що ерс ХДС є не що інше, як ерс струмоутворюючої реакції, що перебігає в ньому: Е = фОх - jRed.

Ерс хімічного джерела струму відповідає максимально можливій електричній напрузі на його клемах (при I ® 0). При замкнутому зовнішньому колі (IФ 0) напруга на електродах ХДС менше за його ерс на величину втрати напруги усередині джерела струму.

Приклад 18.2. У гальванічному елементі, що складається з олов'яного і водневого електродів, концентрації іонів Н+ і Sn2+ відповідно дорівнюють 10-4 моль/л і 1 моль/л. Визначить анод і катод в цьому елементі, напишіть рівняння електродних реакцій, що перебігають в ньому і розрахуйте ерс.

Розв язання. Якщо виходити з положення Стануму і Гідрогену у ряді напруг, тобто із стандартних величин ОВ-потенціалів, анодом в даному елементі повинен бути олов'яний електрод. Але не поспішайте з таким висновком.

Справа у тому, що стандартні електродні потенціали систем 2Н+/Н2 і Sn2+/Sn дуже близькі (0,00 В і -0,136 В відповідно). Для олов'яного електроду

2+

потенціал в заданому елементі дорівнює стандартному ([Sn ] = 1 моль/л), а для водневого електроду він відмінний від стандартного ([Н+] = 10-4 моль/л). Його величину розраховуємо за рівнянням Нернста

 

ф 2H+/H2 ~~ ф 2H+/H2 +      I lg[H ]j +   = 0,00 + 0,059 • lg10-4 =-0,236 В.

T2H+/H2      '               J         & '

Як видно, унаслідок малої концентрації іонів Н+ потенціал водневого електроду стає менше, ніж у олов'яного: Ф+/н2 < jsn2+/Sn . Тому анодом в

даному елементі являється водневий електрод:

A (-) Pt | Н2 | 2H+ || Sn2+ | Sn (+) K

Виходячи з цього, складаємо рівняння електродних реакцій:

А: Н2 - 2ё ® 2H+

К: Sn2+ + 2ё ® Sn°

або сумарно

Н2 + Sn2+ ® 2H+ + Sn°

Як видно, при роботі цього елементу на аноді відбувається окиснення Гідрогену, в результаті якого іони Н+ переходять в розчин, а електрони по зовнішньому колу напрямлено рухаються до олов'яного електроду (катоду),

2+

на поверхні якого відновлюються катіони Стануму Sn . Ерс даного елементу дорівнює

Е = фк - jA = -0,136 - (-0,236) = 0,100 В.

Контрольне питання. Чи дійсно у ванадій-марганцевому ГЕ (jMn2+/Mn= jV2+n = -1,18 В) при [Mn2+] > [V2+] анодом є ванадієвий

2+ 2+

електрод, а при [Mn ] < [V ] - марганцевий? Складіть схеми цих елементів, напишіть рівняння електродних реакцій, що перебігають в них.

 

Приклад 18.3. Розрахуйте концентрацію катіонів Cd2+ в магній-кадмієвому ГЕ, якщо ерс елементу дорівнює 2,00 В, а концентрація катіонів Магнію [Mg2+] = 0,01 моль/л.

Розв'язання.  У даному елементі роль анода виконує магнієвий

електрод, оскільки jMg2+/Mg = -2,37 В << jCd2+/Cd = -0,40 В

 

A (-) Mg | Mg2+ || Cd2+ | Cd (+) K

При роботі цього елементу відбувається окиснення Магнію на аноді і відновлення катіонів Кадмію на катоді

A: Mg° - 2ё ® Mg2+

К: Cd2+ + 2ё ® Cd°або сумарно

Mg + Cd2+ ® Mg2+ + Cd

 

Розраховуємо величину срА (потенціал магнієвого електроду)

 

jA =-2,37 + 0,059 ■ lg10"2 =-2,43 B.

 

Запишемо  рівняння  Нернста  для  визначення  потенціалу катоду (кадмієвого електроду)

 

р k =-0,40 + ^ lg[Cd2+ ]

 

Оскільки за умовою Е = рк - ррА = 2,00 В, отримуємо рівняння

 

0,059 -

2,00 = (-0,40 +        ■ lg[CcT ]) - (-2,43)

 

звідси

lg[Cd2+] = -1,0

Отже

[Cd2+] = 10-1,0 = 0,10 моль/л.

 

Контрольне питання. Чи зміниться ерс цього елементу, якщо концентрації катіонів Магнію і Кадмію збільшити або зменшити в однакове число разів?

 

Розглянутий приклад показує, як можна, змірявши ерс гальванічного елементу (метод ерс), визначити невідому концентрацію катіонів металу в розчині. По суті, гальванічний елемент в даному випадку є електричним датчиком концентрації іонів в розчині. Такі датчики використовують в науці і техніці.

 

Приклад  18.4.   Розрахуйте,  яким  повинне   бути співвідношення

2+ 2+

концентрацій катіонів Ni і Со , щоб ерс нікель-кобальтового ГЕ дорівнювала нулю.

Розв'язання.  За стандартних умов в даному елементі анодом є

кобальтовий електрод, катодом - нікелевий (p>Co2+ /Co = -0,28 В; ф^2+/Ni =

-0,25 В).Рівняння електродних процесів і загальне рівняння струмоутворюючої реакції:

А: Со° - 2ё ® Со2+

К: Ni2+ + 2ё ® Ni°

Со + Ni2+ ® Со2+ + Ni.

Якщо концентрації електролітів відрізняються від стандартних, ерс елементу дорівнюєE = Рк -Pa = (РРК + ^lg[Ni2+ ])-(jA + ^lg[Co2+ ])

0,059lg[Ni2+ ]) - (PA + °f9 (PK-PA) + 0,059(lg[Ni2+ ] - lg[Co2+ ]) = EO +

2                                                               2      [Co ]

Стандартна ерс даного ГЕ складає

 

Е° = pK -jA = (-0,25) - (-0,28) = 0,03 В.

 

За умовою ерс повинна дорівнювати нулю. Отримуємо рівняння

 

0 = 0,03+M59^,

2 [Co2+]

 

розв'язання якого дозволяє знайти необхідне співвідношення концентрацій

 

lg^ = -1,017

[Co2+]

 

[Ni2+ ]

= 10-1,017 = 0,096

[Co2+]

[Ni2+]

Отже, якщо -—2г± = 0,096, то ерс даного елементу дорівнює нулю;

[Co2+]якщо г^ 2   > 0,096 - ерс більше нуля і, нарешті, якщо співвідношення

[Ni2+ ] [Co2+ ]

[Ni2+]

-—т-^ < 0,096, то ерс елементу змінює знак на негативний. Останнє означає,

[Co2+]

звичайно, що в джерелі струму відбувається зміна електродів: нікелевий електрод стає анодом, а кобальтовий - катодом. Струмоутворююча реакція перебігає у зворотному напрямі:

Ni + Со2+ ® Ni2+ + СоПриклад 18.5. Чи може виробляти ерс такий гальванічний елемент:

 

Ag | AgNOs || AgNOs |Ag?

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67 


Похожие статьи

В В Приседський, В М Виноградов, О І Волкова - Курс загальної хімії у прикладах