Химические процессы протекающие на электродах при зарядке и разрядке аккумулятора. Концентрация ионов на электродах

 

Задание 256. 
Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин цинка и железа, погруженных в растворы их солей. Напишите электронные уравнения процессов, протекающих на аноде и на катоде. Какой концентрации надо было бы взять ионы железа (+2) (моль/л), чтобы ЭДС элемента стала равной нулю, если [Zn2+] = 0,00 1 моль/л? Ответ: 7,3 . моль/л.
Решение:
Цинк имеет меньший потенциал (-0,763 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Zn0 - 2электрон  = Zn2+  (1)

Железо, потенциал которого (-0,440 В) - катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Fe2+ + 2электрон  = Fe0   (2)

Схема гальванического элемента имеет вид:

эдс гальванического элемента

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

уравнение Нернста, Nernst, nernst

Е0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе его соли (при точных вычислениях – активность). Определим электродные потенциалы кадмия и меди при заданных концентрациях:

эдс гальванического элемента

ЭДС гальванического элемента равна нулю, если электродные потенциалы электродов равны, следовательно, электродный потенциал железа численно равен электродному потенциалу цинка, т.е. равен -0,8515 В. Рассчитаем концентрацию ионов железа Fe2+, если электродный потенциал железного электрода равен -0,8515 В, получим:

эдс гальванического элемента

Ответ: сFe2+ = 1,124 . 10-14 моль/л.


Задание 257.
Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению:
Ni + Pb(NO3)2 = Ni(NO3)2 + Рb
Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов. Вычислите ЭДС этого элемента, если [Pb2+] = 0,0001 моль/л, [Ni] = 0,01 моль/л. Ответ: 0,064 В. 
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

Ni + Pb(NO3)2 = Ni(NO3)2 + Рb

Из уравнения реакции вытекает, что никель является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Ni0 - 2электрон   = Ni2+  (1)

Свинец – катод, электрод на котором протекает восстановительный процесс:

Pb2+ + 2электрон   = Pb0  (2)

Схема гальванического элемента будет имеет вид:

эдс гальванического элементаЭлектродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

уравнение Нернста, Nernst, nernst

Е0стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе его соли (при точных вычислениях – активность). Определим электродные потенциалы кадмия и меди при заданных концентрациях:

эдс гальванического элемента

Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода, получим:

эдс гальванического элемента

Ответ: 0,064 В.


Задание 258.
Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке свинцового аккумулятора?
Решение:
В свинцовом аккумуляторе в качестве электролита используется раствор H2SO4 (p  = 1,24-130 г/см3). Электроды этого аккумулятора представляют свинцовые решётки. Решётки сначала заполняются оксидом свинца (IV) PbO2, который при взаимодействии с H2SO4 превращается в PbSO4. Сначала аккумулятор нужно зарядить. Суммарная реакция зарядки в аккумуляторе имеет вид:

2PbSO4 + 2H2 ⇔ Pb + PbO2 + 2H2SO4 (молекулярная форма);
2PbSO4 + 2H2O ⇔ Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- (ионно-молекулярная форма)

Электрохимические процессы при зарядке:

Анод: PbSO4 + 2H2O  - 2электрон   =  PbO2 + 4H+ + SO42-
Катод: PbSO4 + 2электрон   =  Pb2+ + SO42-

 

При разрядке свинцового аккумулятора протекает следующая химическая реакция:

Pb + PbO2 + 2H2SO4  ⇔ 2PbSO4 + 2H2O (молекулярная форма);
Pb + PbO2 + 4Н+ + SO42- ⇔ 2PbSO4 + 2H2O ионно-молекулярная форма)

Электрохимические процессы при разрядке аккумулятора:

Анод: Pb2+ + SO42-   - 2электрон   ⇔ PbSO4;
Катод: PbO2 + 4H+ + SO42- + 2электрон    PbSO4 + 2H2O

 

При разрядке аккумулятора:

К(+): PbO2 + 4H+ + 2электрон  → Pb2+ + 2H2O;
А(-): Pb0 → Pb2+ + 2электрон 

Суммарная реакция:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O

При зарядке аккумулятора:

К(+): Pb2+ + 2электрон  → Pb0
А(-): Pb2+ + 2H2O → PbO2+4H++ 2электрон 

Суммарная реакция: 

2PbSO4 + 2H2O → PbO2 + Pb + 2H2SO4


Задание 259.
Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке кадмий-никелевого аккумулятора?
Решение:
При зарядке аккумулятора:

А(+): Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + 1электрон 
К(-): Cd(OH)2 + 2электрон  → Cd + 2OH-

 

Суммарная реакция:

2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 → 2NiOOH + Cd + 2H2O

При разрядке аккумулятора:

К(+): NiOOH + H2O + 1электрон - → Ni(OH)2 + OH-
А(-): Cd + 2OH- → Cd(OH)2 + 2электрон -

Суммарная реакция: 

2NiOOH + Cd + 2H2O → 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2


Задание 260.
Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке железо-никелевого аккумулятора?
Решение:
При зарядке аккумулятора:

А: Ni2+ → Ni3+ + 1электрон  
К: Fe2+ + 2электрон   → Fe0

 

Суммарная реакция: 

2Ni(OH)2 + Fe(OH)2 → NiOOH + Fe + 2H2O

При разрядке аккумулятора:

А: Fe0 → Fe2+ + 2электрон  
К: Ni3+ + 1электрон   → Ni2+

 

Суммарная реакция: 

NiOOH + Fe + 2H2O → 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2