VI. 2. Электродные потенциалы, электродвижущие силы

Химические источники тока

Типовые задачи и их решение

1. Записать схему гальванического элемента (ГЭ), составленного из пластинок магния и никеля, опущенных в растворы своих солей при стандартных условиях. Написать электрохимические уравнения процессов, происходящих на электродах во внутренней цепи, и суммарную токообразующую реакцию. Вычислить: стандартное напряжение гальванического элемента (ЭДС), используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

Решение. По таблице 5 находим стандартные потенциалы металлов:

φ^о_Mg²⁺_/Mg = –2,36 В; φ^о_Ni²⁺_/Ni = –0,25 В. Значение стандартного электродного потенциала магния меньше (на схеме ГЭ это отмечено знаком минус), чем никеля (на схеме ГЭ стоит знак плюс). Следовательно, магний легче отдает свои электроны, т.е. он является более активным металлом и в гальваническом элементе выступает во внутренней цепи в качестве анода. Электроны во внешней цепи будут переходить по проводнику от магния к никелю.

Схема гальванического элемента (внешняя цепь) будет иметь вид (в ионной форме):

(–) Mg / Mg²⁺ // Ni²⁺ / Ni (+).

Электрохимические уравнения (уравнения полуреакций) процессов, происходящих на электродах (во внутренней цепи):

на аноде (А): Mg – 2e = Mg²⁺,

электрод, на котором протекает окисление, называется анодом;

на катоде (К): Ni²⁺ + 2e =Ni,

электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом.

Суммарное ионное уравнение токообразующей реакции, протекающей во внутренней цепи ГЭ: Mg + Ni²⁺ = Mg²⁺ + Ni.

В молекулярной форме: Mg + NiSO₄ = MgSO₄ + Ni.

При работе гальванического элемента электроны от восстановителя (магний) переходят к окислителю (ионы никеля Ni²⁺) по внешней цепи. В растворе наблюдается движение анионов, например, SO₄²⁻, в обратном направлении.

Стандартное напряжение гальванического элемента (электродвижу-щая сила – ЭДС) определяется разницей стандартных электродных потенциа-лов:

ε^o = φ^о_{окислителя} – φ^о_{восстановителя}.

Подставляем значения и вычисляем стандартное напряжение гальва-нического элемента:

ε^о = (–0,25) – (–2,36) = 2,11 В.

 

Рассчитаем изменение энергии Гиббса D G ^о (298) реакции по формуле:

D G ^о (298) = – z ∙ F ∙ ε^o,

где z – число отданных или принятых электронов (НОК – наименьшее общее кратное);

F – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл.

Подставляем значения:

D G ^о (298) = – 2 ∙ 96500 ∙ 2,11 = – 407230 Дж = – 407,23 кДж.

Отрицательное значение D G ^о (298) свидетельствует о возможности протекания токообразующей реакции в ГЭ слева направо.

 

Вычислим константу равновесия токообразующей реакции (К _с):

D G ^о (298) = – R ∙ T ∙ ln К _с = – R ∙ T ∙ 2,303 ∙ lg К _с.

Откуда

D G ^о (298) (– 407230)

2,303 ∙ R ∙ T 2,303 ∙ 8,314 ∙ 298

К _с = 10⁷¹.

Поскольку константа равновесия показывает, во сколько раз скорость прямой реакции превышает скорость обратной реакции, то равновесие в токообразующей реакции сильно смещено вправо.

 

2. Вычислить напряжение гальванического элемента, состоящего из цинкового электрода, погруженного в 0,01 М раствор ZnSO₄, и водородного электрода, опущенного в раствор Н₂SO₄ с рН = 3. Написать схему ГЭ и электрохимические уравнения процессов, происходящих на электродах во внутренней цепи.

Решение. По таблице 5 находим стандартные потенциалы цинка и водорода: φ^o_H⁺_/H = 0 В; φ^o_Zn²⁺_/Zn = –0,76 В. Цинк имеет меньшее значение стандартного потенциалы, следовательно, он будет во внутренней цепи анодом.

Cхема гальванического элемента (внешняя цепь):

(–) Zn / ZnSO₄ // Н₂SO₄ / Н₂, Pt (+).

Электрохимические уравнения электродных процессов (внутренняя цепь):

А: Zn – 2e = Zn²⁺;

К: 2Н⁺ + 2е = Н₂.

Суммарное ионное уравнение токообразующей реакции:

Zn + 2Н⁺ = Zn²⁺ + Н_2.

Молекулярное суммарное уравнение токообразующей реакции:

Zn + Н₂SO₄ = ZnSO₄ + Н₂

Определяем электродные потенциалы, используя формулу Нернста:

 

0,059

n

 

φ^o_H⁺_/H = 0, тогда, формула Нернста для водородного электрода примет вид:

φ = – 0,059 ∙ рН.

φ _H⁺_/H = –0,059 ∙ 3 = –0,18 В.

 

Для цинка:

φ _Zn²⁺_/Zn = φ^o_Zn²⁺_/Zn + (0,059 / 2) ∙ lg 10^–2 = –0,76 – 0,059 = –0,82 В.

Напряжение ГЭ:

ε = φ _H⁺_/H – φ _Zn²⁺_/Zn = –0,18 – (–0,82) = 0,64 В.

Таблица 5

Ряд напряжений.

Стандартные электродные потенциалы металлов (φ^о)

 

Электрод	φо; В	Электрод	φо; В
Li+/Li	–3,045	Co2+/Co	–0,277
К+/К	–2,924	Ni2+/Ni	–0,250
Cs+/Cs	–2,923	Mo3+/Mo	–0,200
Ba2+/Ba	–2,905	Sn2+/Sn	–0,136
Са2+/Ca	–2,866	Pb2+/Pb	–0,126
Na+/Na	–2,714	Fe3+/Fe	–0,037
Mg+/Mg	–2,363	2Н+/Н2о	0,000
Sc3+/Sc	–2,077	Вi3+/Bi	0,215
Be2+/Be	–1,847	Re3+/Re	0,300
Аl3+/Al	–1,662	Сo3+/Co	0,330
Тi2+/Тi	–1,630	Сu2+/Cu	0,337
Мn2+/Mn	–1,180	Hg22+/2Hg	0,788
Nb3+/Nb	–1,100	Ag+/Ag	0,799
Cr2+/Cr	–0,913	Os2+/Os	0,850
Zn2+/Zn	–0,763	Hg2+/Hg	0,850
Cr3+/Cr	–0,744	Pd2+/Pd	0,987
Ga3+/Ga	–0,530	Рt2+/Pt	1,188
Fe2+/Fe	–0,440	Au3+/Au	1,498
Cd2+/Cd	–0,403	Au+/Au	1,700

Контрольные задания

1. Составить схему гальванического элемента, в котором происходит реакция: Cu + 2AgNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2Ag. Записать электрохимические уравнения процессов, происходящие на электродах при работе данного гальванического элемента. Определить его стандартное напряжение (ЭДС), используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

2. Составить схему гальванического элемента, состоящего из магниевой и железной пластинок, опущенных в 0,1 М раствор MgSO₄ и 1 М раствор FeSO₄ соответственно. Определить напряжение (ЭДС) данного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80). Записать уравнения электродных процессов и суммарную токообразующую реакцию.

3. Составить схему гальванического элемента, состоящего из алюминиевого и хромового электродов, опущенных в 0,001 М раствор AlCl₃ и 1 М раствор CrCl₃. Записать электрохимические уравнения процессов, происходящих на электродах при работе этого гальванического элемента. Определить его напряжение (ЭДС), используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80).

4. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Мg + SnCl₂ = MgCl₂ + Sn. Написать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

5. Составить схему гальванического элемента, в котором никель являлся бы анодом во внутренней цепи. Написать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80),

D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

6. Составить схему гальванического элемента, в котором имеются следующие компоненты: Cu; 0,01 М раствор NiSO₄; 1 М раствор CuSO₄; и Ni. Написать уравнения электродных процессов. Определить напряжение (ЭДС) данного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80).

7. Составить схему гальванического элемента, образованного кадмиевым электродом, погруженным в 0,01 М раствор CdSO₄ и медным электродом, опущенным в 0,1 М раствор CuSO₄. Записать уравнения электродных процессов. Определить его напряжение (ЭДС), используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80).

8. Составить схему гальванического элемента, при работе которого происходит токообразующая реакция: Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂. Какие процессы протекают на электродах, при его работе? Определить стандартное напряжение (ЭДС) данного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

9. Составить схему гальванического элемента, состоящего из следующих компонентов: Ni; Ag; 0,01 М раствор Ni(NO₃)₂ и 0,1 М раствор AgNO_3. Записать уравнения электродных процессов. Определить напряжение (ЭДС) данного гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80).

10. Составить схему гальванического элемента, состоящего из цинкового электрода, опущенного в раствор ZnSO₄ 0,01М, и никелевого электрода, погруженного в раствор NiSO₄ 0,1 М. Написать уравнения электродных процессов. Определить напряжение (ЭДС) данного гальванического элемента.

11. Имеется схема гальванического элемента:

Pt, H₂ / раствор с рН = 5 // 0,01 М раствор MnSO₄ / Mn. Определить: электродные потенциалы каждого полуэлемента при указанных концентрациях, катод и анод во внешней цепи данного гальванического элемента. Написать уравнения электродных потенциалов и рассчитать напряжение (ЭДС) гальванического элемента.

12. Составить схему гальванического элемента, состоящего из водородного электрода, опущенного в 0,01 М раствор Н₂SO₄ и кобальтового электрода, опущенного в 1 М раствор СоSO₄. Записать электрохимические уравнения процессов, происходящих на электродах, при работе данного гальванического элемента. Определить его напряжение (ЭДС).

13. Составить схему гальванического элемента, состоящего из магниевого электрода, опущенного в 0,1 М раствор MgSO₄ и кадмиевой пластинки, помещенной в 0,01 М раствор СdSO_4. Записать уравнения электродных процессов. Определить напряжение (ЭДС) гальванического элемента.

14. Составить схему гальванического элемента, состоящего из следующих компонентов: Zn; Pb; 1 М раствор Zn(NO₃)₂ и 0,01 М раствор Pb(NO₃)_2. Записать уравнения электродных процессов и суммарную токообразующую реакцию. Определить напряжение (ЭДС) гальванического элемента.

15. Составить схему гальванического элемента, в котором никель является катодом во внутренней цепи. Записать уравнения электродных процессов и суммарную токообразующую реакцию. Рассчитать стандартное напряжение (ЭДС) гальванического элемента, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

16. Составить схему гальваничекого элемента, состоящего из водородного электрода, погруженного в водный раствор с рН = 4 и марганцевого электрода, находящегося в 0,1 М водном растворе MnSO_4. Записать уравнения электродных процессов, суммарную токообразующую реакцию. Определить напряжение (ЭДС) ГЭ.

17. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Ni + 2AgNO₃ = Ni(NO₃)₂ + 2Ag. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение ГЭ (ЭДС), используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

18. Составить схему гальванического элемента, состоящего из магниевого электрода, опущенного в 0,1 М раствор MgCl₂ и оловянного, погруженного в 0,01 М раствор SnCl_2. Записать уравнения электродных процессов и токообразующей реакции. Определить напряжение (ЭДС) ГЭ.

19. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Bi(NO₃)₃ + Al = Al(NO₃)₃ + Bi. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

20. Составить схему гальванического элемента, состоящего из никелевого электрода, погруженного в 0,001 М раствор NiSO₄, и медного электрода, опущенного в раствор CuSO₄ 0,01 М. Написать уравнения электродных процессов. Определить напряжение (ЭДС) гальванического элемента.

21. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: 2AgNO₃ + Ni = Ni(NO₃)₂ + 2Ag. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

22. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: 3AgNO₃ + Al = Al(NO₃)₃ + 3Ag. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

23. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: 2AgNO₃ + Mg = Mg(NO₃)₂ + 2Ag. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

24. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Mn + CuSO₄ = MnSO₄ + Cu. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

25. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Mg + CdSO₄ = MgSO₄ + Cd. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

26. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Mg + CoSO₄ = MgSO₄ + Co. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

27. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Ni + CuSO₄ = NiSO₄ + Cu. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

28. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: Mg + CuSO₄ = MgSO₄ + Cu. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

29. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: 3Mg + Cr₂(SO₄)₃ = 3MgSO₄ + 2Cr. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.

30. Составить схему гальванического элемента, в котором протекает токообразующая реакция: 2Al + 3NiSO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3Ni. Записать уравнения электродных процессов. Определить стандартное напряжение (ЭДС) ГЭ, используя величины стандартных электродных потенциалов (табл. 5, стр. 80), D G ^о (298) и константу равновесия токообразующей реакции. Сделать вывод о направлении протекания реакции.