Химические источники электричества.
Электродные потенциалы. Гальванические элементы
Пример 1. Напишите уравнения анодного и катодного процессов, суммарные ионно-молекулярное и молекулярное уравнения этих процессов, протекающих в гальваническом элементе, схема которого:
Ni │ NiSO4 ║ CoSO4 │ Co
(0,001 M) (1 M)
(В скобках приведены молярные концентрации растворов соответствующих солей). Вычислите величину электродвижущей силы (ЭДС) гальванического элемента.
Решение. Рассчитаем величины электродных потенциалов по уравнению Нернста:
,
где – стандартный электродный потенциал (см. в Приложении: табл. 6; = –0,25 В; = –0,28 В).
= –0,25 + ·(–3) = –0,34 В.
= –0,28 + ·0 = –0,28 В.
На электроде, имеющем меньший потенциал, происходит отдача электронов, т. е. окисление. Этот электрод называется анодом. Поскольку < , анодом является никелевый электрод.
На электроде, имеющем больший потенциал, происходит принятие электронов, т. е. восстановление. Этот электрод называется катодом. Им является кобальтовый электрод.
Процессы, протекающие в гальваническом элементе:
Анод Ni – 2 = Ni2+
Катод Co2+ + 2 = Co
Ионно-молекулярное уравнение: Ni + Co2+ = Ni2+ + Co
Молекулярное уравнение: Ni + CoSO4 = NiSO4 + Co
ЭДС = E(к) – E(а) = –0,28 – (–0,34) = 0,06 В.
Пример 2. В каком направлении может самопроизвольно протекать реакция
2Bi + 3CdCl2 2BiCl3 + 3Cd
|
|
Составьте схему гальванического элемента, в котором протекает эта реакция. Напишите уравнения анодного и катодного процессов, а также суммарное ионно-молекулярное уравнение. Определите ЭДС при концентрациях потенциалообразующих ионов в анодном и катодном пространстве, равных 1 .
Решение. Окислительно-восстановительная реакция возможна, если потенциал предполагаемого окислителя больше потенциала предполагаемого восстановителя: Eокисл > Eвосст. Для прямой реакции
окислителем должен являться ион Cd2+, а восстановителем – металлический висмут . Однако соотношение их электродных потенциалов: = –0,40 В < = +0,22 В, т.е. электродный потенциал предполагаемого окислителя оказывается меньше потенциала предполагаемого восстановителя: Eокисл < Eвосст. Прямая реакция невозможна.
Для обратной реакции окислителем оказывается ион Bi3+, а восстановителем – металлический кадмий , т.е. Eокисл > Eвосст. Возможно самопроизвольное протекание обратной реакции
2BiCl3 + 3Cd = 2Bi + 3CdCl2
В гальваническом элементе на аноде (Cd) протекает процесс окисления кадмия, а на катоде (Bi) – процесс восстановления ионов Bi3+:
Анод Cd – 2 = Cd2+ │ 3
Катод Bi3+ + 3 = Bi │ 2
|
|
2Bi3+ + 3Cd = 2Bi + 3Cd2+
Схема гальванического элемента:
(А) Cd │ CdCl2 ║ BiCl3 │ Bi (К)
ЭДС = E(к) – E(а) = – = +0,22 – (–0,40) = 0,62 В.
Задания
141-150. Напишите уравнения анодного и катодного процессов, Суммарные ионно-молекулярное и молекулярное уравнения этих процессов, протекающих в гальваническом элементе. Вычислите величину электродвижущей силы (ЭДС) гальванического элемента при указанных молярных концентрациях растворов соответствующих солей.
Номер задачи | Схема гальванического элемента |
141 | Cu | CuSO4 || AgNO3 | Ag (1 M) (0,1 M) |
142 | Bi | Bi(NO3)3 || Cu(NO3)2 | Cu (0,001 M) (1 M) |
143 | Fe | FeSO4 || CdSO4 | Cd (0,001 M) (1 M) |
144 | Ni | NiSO4 || CuSO4 | Cu (1 M) (0,01 M) |
145 | Cd | CdSO4 || NiSO4 | Ni (0,01 M) (1 M) |
146 | Zn | ZnSO4 || AgNO3 | Ag (1 M) (0,01 M) |
147 | Cd | CdSO4 || CdSO4 | Cd (0,01 M) (1 M) |
148 | Co | CoSO4 || CuSO4 | Cu (1 M) (0,01 M) |
149 | Ni | NiSO4 || Bi(NO3)3 | Bi (0,1 M) (1 M) |
150 | Pb | Pb(NO3)2 || AgNO3 | Ag (1 M) (0,01 M) |
151-160. Дайте обоснованный ответ, в каком направлении может самопроизвольно протекать заданная реакция? Составьте схему гальванического элемента, в котором протекает эта реакция. Напишите уравнения анодного и катодного процессов, а также суммарное ионно-молекулярное уравнение. Определите ЭДС при концентрациях потенциалообразующих ионов в анодном и катодном пространстве, равных 1 .
|
|
Номер задачи | Схема реакции |
151 | Cu + HgCl2 CuCl2 + Hg |
152 | Cu + NiCl2 CuCl2 + Ni |
153 | Pb + Co(NO3)2 Pb(NO3)2 + Co |
Номер задачи | Схема реакции |
154 | Zn + NiSO4 ZnSO4 + Ni |
155 | Cu(NO3)2 + 2Ag 2AgNO3 + Cu |
156 | CuSO4 + Co CoSO4 + Cu |
157 | 2Bi + 3Ni(NO3)2 2Bi(NO3)3 + 3Ni |
158 | 2Ag + Co(NO3)2 2AgNO3 + Co |
159 | Bi + 3AgNO3 Bi(NO3)3 + 3Ag |
160 | HgCl2 + Ni Hg + NiCl2 |
Электролиз
Пример 1. Составьте уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водного раствора Bi2(SO4)3 в электролизерах: а) с угольными электродами; б) с висмутовыми электродами.
Для каждого варианта вычислите массы веществ, полученных (или растворенных) на электродах, если через электролизеры пропущен ток силой 10,0 А в течение 1 ч 10 мин. Для газообразных веществ определите их объем при н.у.
Решение. а) На катоде в первую очередь протекает восстановление наиболее сильных окислителей, характеризующихся бόльшим потенциалом. К отрицательно заряженному катоду движется катионы Bi3+, которые могут восстанавливаться до металлического висмута ( + 0,22 В) и полярные молекулы воды, которые могут восстанавливаться до водорода ( = 0,00 В при pH 0; = –0,41 В при pH 7). Поскольку > , то на катоде восстанавливается висмут:
|
|
Bi3+ + 3 = Bi
К положительно заряженному аноду движутся анионы и полярные молекулы воды. В сульфат-ионе сера находится в высшей степени окисления (+6), поэтому дальнейшее окисление серы невозможно. В данных условиях протекает единственно возможный процесс – окисление воды до кислорода:
2H2O – 4 = O2 + 4H+
По законам Фарадея масса восстановленного на катоде висмута:
, (1)
где ;
I – сила тока, А;
τ – продолжительность электролиза, с;
F – константа Фарадея, 96 500 Кл.
= 30,3 г.
Масса выделившегося на аноде кислорода:
= 3,48 г,
где .
Объем, занимаемый газом при н.у., определяется по формуле:
,
где n – количество газа, моль;
m – масса газа, г;
M – молярная масса газа, ;
V0 = 22,4 л – объем одного моль газа при н.у.
Для кислорода
= 2,44 л.
б) На висмутовом аноде кроме окисления воды возможно окисление висмута – материала анода. На аноде протекает, в первую очередь, окисление наиболее сильных восстановителей, характеризующихся меньшим потенциалом. Поскольку = +0,22В < = +1,23В, то окисляться будет материал анода:
Bi – 3 = Bi3+
На катоде, как и в варианте (а), восстанавливается висмут:
Bi3+ + 3 = Bi
Массы осажденного на катоде и растворенного на аноде висмута одинаковы и определяются уравнением (1): на катоде из раствора восстановилось 30,3 г висмута и столько же висмута растворилось на аноде.
Пример 2. При электролизе водных растворов AgNO3 и NiSO4 в двух электролизерах, соединенных последовательно, на катодах выделилось соответственно серебро массой 5,39 г и никель массой 1,39 г. Определите выход по току никеля, если выход по току серебра 100%. Какова продолжительность электролиза при силе тока 5,00 А?
Решение. Если на электроде возможно одновременно протекание нескольких процессов, то используют понятие выхода по току. Выходом по току i-го вещества (Bi) называется доля общего количества электричества в процентах, которая расходуется на окисление или восстановление i-го вещества при электролизе
,
где Q = I·τ – общее количество прошедшего электричества;
Qi – количество электричества, израсходованное на окисление или восстановление i-го вещества;
mi – масса i-го вещества, окисленного или восстановленного на электроде;
mi(τ) – то же, теоретически рассчитанное из предположения 100%-ного выхода по току.
Из законов Фарадея по массе выделившегося серебра при 100%-ном выходе по току определим продолжительность электролиза τ:
= 964 с = 16 мин 4 с.
Рассчитаем массу никеля, которая выделилась бы при 100%-ном выходе по току
= 1,47 г.
Выход по току никеля
= 94,6%.
Пример 3. В течение какого времени следует проводить электролиз при силе тока 8,00А для выделения на катоде всей меди, содержащейся в 250 мл 0,100 М раствора CuSO4?
Решение. Из законов Фарадея
,
или
, (2)
где nэк(Cu) – количество моль эквивалентов меди.
Количество моль меди в растворе
nCu = cV = 0,100·0,250 = 0,0250 моль,
где c – молярная концентрация CuSO4, ;
V – объем раствора, л.
Поскольку эквивалент меди ЭCu = ½ Cu, то nэк(Cu) = 2nCu =
= 2·0,0250 = 0,0500 моль. Подставим значение nэк(Cu) в уравнение (2):
= 603 c = 10 мин 3 с.
Задания
161-168. Электролиз водного раствора вещества X проводили с угольными электродами катодного и анодного процессов. Вычислите массы веществ, выделившихся на катоде и на аноде. Определите объем выделившихся газообразных веществ (н.у.).
Номер задачи | X | I, A | τ |
161 | CuSO4 | 15,0 | 5 ч 37 мин |
162 | K2SO4 | 10,0 | 30 мин |
163 | NaOH | 25,0 | 30 мин |
164 | AgNO3 | 10,1 | 1 ч 40 мин |
165 | KI | 10,0 | 50 мин |
166 | NaBr | 18,0 | 1 ч 40 мин |
167 | Al2(SO4)3 | 20,0 | 45 мин |
168 | H2SO4 | 15,0 | 25 мин |
169-175. Электролиз водного раствора вещества X проводили с анодом из материала Y при силе тока I. Составьте уравнения электродных процессов. Определите, сколько потребуется времени для окисления на аноде массы mA соответствующего вещества. Составьте уравнения электродных процессов с угольным анодом.
Номер задачи | X | Y | mA, г | I, A |
169 | NiSO4 | Ag | 15,0 | 10,0 |
170 | AgNO | Ag | 100,0 | 20,0 |
171 | SnCl2 | Sn | 45,0 | 15,0 |
172 | Na2SO4 | Cd | 50,0 | 25,0 |
Номер Задачи | X | Y | mA, г | I, A |
173 | MgCl2 | Mg | 15,0 | 15,0 |
174 | H2SO4 | Cu | 65,0 | 30,0 |
175 | CdSO4 | Cd | 60,0 | 10,0 |
176. При электролизе водных растворов KI и CuSO4 в двух электролизерах, соединенных последовательно, масса одного из катодов увеличилась на 15,7 г. Какое количество электричества было пропущено через электролизеры? Составьте уравнения катодных и анодных процессов в каждом из электролизеров, если электроды угольные.
177. Через два соединенных последовательно электролизера, содержащих, соответственно, водные растворы Na2SO4 и AgNO3, пропускали ток силой 10,0 А в течение 1 ч 40 мин. На какую величину увеличилась масса одного из электродов? Составьте уравнения всех катодных и анодных процессов, если электроды угольные.
178. Составьте уравнения процессов, протекающих на угольных электродах при электролизе: а) водного раствора MgCl2; б) расплава MgCl2. Вычислите массу веществ, выделяющихся на электродах в том и другом случаях, если через раствор и расплав пропустили ток силой 20,0 А в течение 1 ч 20 мин. Определите объем выделяющихся газов (н.у.).
179. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах при электролизе водного раствора AgNO3 с нерастворимым анодом; с растворимым серебряным анодом. Вычислите массу серебра и объем кислорода, выделившихся на электродах при электролизе водного раствора AgNO3 с нерастворимым анодом, если время
180. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах при электролизе растворов MgSO4 и ZnCl2. Вычислите силу тока при электролизе раствора MgSO4 в течение 1 ч 40 мин, если на катоды выделилось 1,4 л водорода (н.у.).
Коррозия и защита металлов
Пример 1. Возможна ли коррозия сплава, состоящего из мелкодисперсных кристаллов висмута и свинца: а) в аэрируемой воде; б) в изолированном от воздуха сосуде с водой? Для среды, в которой коррозия возможна, составьте схему микрогальванических элементов, возникающих в процессе коррозии. Составьте уравнения анодного и катодного процессов и результирующее (суммарное) уравнение процесса коррозии.
Решение. Как любой окислительно-восстановительный процесс, коррозия возможна, если потенциал окислителя больше потенциала восстановителя (Eокисл > Eвосст). Отсюда следует, что в первую очередь будет окисляться, т.е. корродировать, металл, имеющий меньший электродный потенциал. Таким металлом в данном примере является свинец ( = –0,13 В < = +0,22 В). Окислителем будут те ионы или молекулы в окружающей среде, которые имеют больший потенциал.
а) В аэрируемой воде из двух возможных окислителей – иона водорода воды H+ и растворенного в воде кислорода O2 – более сильным окислителем является кислород, так как его потенциал больше (в нейтральной среде = +0,81 В > = –0,41 В). Коррозия возможна, так как Eокисл = +0,81 В > Eвосст = –0,13 В.
Схема гальванического элемента: Pb | O2; H2O | Bi. Анодом является свинец, катодом – висмут. Протекают процессы:
Анод Pb – 2 = Pb2+ │ 2
Катод O2 + 4 + 2H2O = 4OH– │ 1
2Pb + O2 + 2H2O = 2Pb(OH)2 ↓
Продуктом коррозии является труднорастворимый гидроксид свинца Pb(OH)2.
б) В отсутствие кислорода единственным окислителем могли бы быть ионы водорода из воды. Но поскольку Eокисл = –0,41 В < Eвосст = –0,13 В, коррозия невозможна.
Пример 2. Какие процессы будут протекать при коррозии бериллия и меди, находящихся в контакте? Составьте уравнения анодного и катодного процессов и результирующее (суммарное) уравнение процесса коррозии в следующих средах: а) во влажном воздухе; б) в растворе гидроксида натрия; в) в растворе хлороводородной кислоты.
Решение. Из контактирующих металлов более активным восстановителем является бериллий, так как = –1,85 В < = +0,34 В, поэтому, в первую очередь, корродирует бериллий.
а) Во влажном воздухе окислителем является кислород. Коррозия возможна, так как его потенциал значительно больше потенциала бериллия. Бериллий будет являться анодом и окисляться, а медь – катодом, где будет восстанавливаться кислород:
Анод Be – 2 = Be2+ │ 2
Катод O2 + 4 + 2H2O = 4OH– │ 1
2Be + O2 + 2H2O = 2Be(OH)2 ↓
Продуктом коррозии является труднорастворимый гидроксид бериллия.
б) Поскольку гидроксид бериллия амфотерен, в щелочном растворе процесс анодного окисления бериллия заканчивается образованием гидроксокомплекса:
Анод Be – 2 + 4OH– = [Be(OH)4]2–
Несмотря на то, что потенциал кислорода больше, чем иона водорода воды, доступ кислорода к поверхности катода (медь) ограничен из-за малой его растворимости и медленной диффузии. Поэтому в щелочном растворе (pH 14) при условии = –0,82 В >> = –1,85 В, окислителем является ион водорода воды
Катод 2H2O + 2 = H2 + 2OH–
Результирующее уравнение процесса коррозии получим, суммируя уравнения анодного и катодного процессов:
Be + 2H2O + 2OH– = [Be(OH)4]2– + H2
или
Be + 2H2O + 2NaOH = Na2[Be(OH)4] + H2
в) По тем же кинетическим причинам, что и в предыдущем случае, окислителем является ион водорода H+. Уравнения процессов:
Анод Be – 2 = Be2+
Катод H2 + 2 = H2
Be + 2H2 = Be2+ + H2
или
Be + 2HCl = BeCl2 + H2
Задания
181-192. Какие коррозионные процессы могут протекать при контакте двух металлов? Составьте уравнения анодного и катодного процессов и результирующее (суммарное) уравнение процесса коррозии в заданных условиях. Если коррозия невозможна, то объясните, почему?
Номер задачи | Металлы | Среда |
181 | Cu, Fe | а) раствор HCl |
б) влажный воздух | ||
182 | Zn, Fe | а) речная вода |
б) раствор HCl | ||
183 | Cu, Ag | а) аэрируемый раствор H2SO4 |
б) закрытый сосуд с раствором HCl | ||
184 | Ni, Fe | а) влажный воздух |
б) раствор H2SO4 | ||
185 | Cr, Ni | а) морская вода |
б) раствор H2SO4 | ||
186 | Cu, Zn | а) влажный грунт |
б) раствор HCl | ||
187 | Cu, Sn | а) раствор H2SO4 |
б) влажный воздух | ||
188 | Sn, Fe | а) раствор H2SO4 |
б) морская вода | ||
189 | Al, Cu | а) раствор H2SO4 |
б) раствор NaOH | ||
190 | Sn, Ag | а) раствор HCl |
б) влажный воздух | ||
191 | Cu, Ni | а) раствор HCl |
б) вода при отсутствии в ней растворенного кислорода | ||
192 | Cu, Au | а) раствор H2SO4 в контакте с воздухом |
б) раствор H2SO4 при отсутствии в окружающей среде кислорода |
193. Приведите пример катодного покрытия для никеля. Напишите уравнения анодного, катодного и суммарного процессов коррозии, протекающих в аэрируемом водном растворе и в солянокислой среде при частичном нарушении такого покрытия.
194. Приведите пример анодного покрытия для кадмия. Напишите уравнения анодного, катодного и суммарного процессов коррозии, протекающих в сернокислом растворе и во влажном воздухе, при частичном нарушении такого покрытия.
195. Какие металлы можно использовать для протекторной защиты железа? Для одного из примеров напишите уравнения анодного, катодного и суммарного процессов коррозии в аэрируемом водном растворе и в сернокислой среде.
196. В чем сущность катодной защиты от коррозии? Какие процессы протекают на электродах при катодной защите стального трубопровода, проложенного во влажном грунте?
197. К какому типу покрытий относится лужение (покрытие оловом) меди? Напишите уравнения анодного, катодного и суммарного процессов коррозии, протекающих во влажном воздухе и в сернокислой среде при частичном нарушении этого покрытия.
198-200. Возможна ли в средах (а) и (б) коррозия сплава, представляющего собой смесь мелкодисперсных кристаллов металлов X и Y?
В случае возможности коррозии составьте схему микрогальванических элементов, возникающих в процессе коррозии. Напишите уравнения анодного и катодного процессов и суммарное уравнение процесса коррозии. Если коррозия невозможна, то объясните, почему?
Номер задачи | X | Y | Среда | |
198 | Ag | Cu | а) аэрируемый раствор HCl | б) изолированный от воздуха раствор HCl |
199 | Cd | Bi | а) раствор H2SO4 | б) влажный воздух |
200 | Pb | Sb | а) влажный воздух | б) вода при отсутствии растворенного в ней кислорода |
Варианты контрольных заданий
Номер варианта | Номера задач | |||||||||
01 | 1 | 21 | 41 | 61 | 81 | 103 | 121 | 141 | 161 | 181 |
02 | 2 | 22 | 42 | 62 | 82 | 104 | 122 | 142 | 162 | 182 |
03 | 3 | 23 | 43 | 63 | 83 | 105 | 123 | 143 | 163 | 183 |
04 | 4 | 24 | 44 | 64 | 84 | 106 | 124 | 144 | 164 | 184 |
05 | 5 | 25 | 45 | 65 | 85 | 107 | 125 | 145 | 165 | 185 |
06 | 6 | 26 | 46 | 66 | 86 | 108 | 126 | 146 | 166 | 186 |
07 | 7 | 27 | 47 | 67 | 87 | 109 | 127 | 147 | 167 | 187 |
08 | 8 | 28 | 48 | 68 | 88 | 110 | 128 | 148 | 168 | 188 |
09 | 9 | 29 | 49 | 69 | 89 | 111 | 129 | 149 | 169 | 189 |
10 | 10 | 30 | 50 | 70 | 90 | 112 | 130 | 150 | 170 | 190 |
11 | 11 | 31 | 51 | 71 | 91 | 113 | 131 | 151 | 171 | 191 |
12 | 12 | 32 | 52 | 72 | 92 | 114 | 132 | 152 | 172 | 192 |
13 | 13 | 33 | 53 | 73 | 93 | 115 | 133 | 153 | 173 | 193 |
14 | 14 | 34 | 54 | 74 | 94 | 116 | 134 | 154 | 174 | 194 |
15 | 15 | 35 | 55 | 75 | 95 | 117 | 135 | 155 | 175 | 195 |
16 | 16 | 36 | 56 | 76 | 96 | 118 | 136 | 156 | 176 | 196 |
17 | 17 | 37 | 57 | 77 | 97 | 119 | 137 | 157 | 177 | 197 |
18 | 18 | 38 | 58 | 78 | 98 | 120 | 138 | 158 | 178 | 198 |
19 | 19 | 39 | 59 | 79 | 99 | 103 | 139 | 159 | 179 | 199 |
20 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 104 | 140 | 160 | 180 | 200 |
21 | 3 | 31 | 41 | 71 | 181 | 111 | 122 | 147 | 162 | 187 |
22 | 4 | 32 | 47 | 72 | 101 | 112 | 123 | 148 | 163 | 181 |
23 | 5 | 33 | 48 | 73 | 102 | 113 | 124 | 149 | 164 | 182 |
24 | 6 | 34 | 49 | 74 | 87 | 114 | 125 | 150 | 165 | 183 |
25 | 7 | 35 | 50 | 75 | 88 | 115 | 126 | 151 | 166 | 184 |
26 | 8 | 36 | 51 | 76 | 89 | 116 | 127 | 152 | 167 | 185 |
27 | 9 | 37 | 52 | 77 | 90 | 117 | 128 | 153 | 168 | 186 |
28 | 10 | 38 | 53 | 78 | 91 | 118 | 129 | 154 | 169 | 187 |
29 | 11 | 39 | 54 | 79 | 92 | 119 | 130 | 155 | 170 | 188 |
30 | 12 | 40 | 55 | 80 | 93 | 120 | 131 | 156 | 171 | 190 |
Приложения
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 613; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!