Вычисление ЭДС, составление схемы гальванического элемента
Задача 195.
Составьте схему гальванического элемента, состоящего из двух металлических пластин, опущенных в растворы их солей. Напишите уравнения электродных процессов. Вычислите ЭДС гальванического элемента. Cu (Cсоли = 1,5 моль/л) и Ni (Cсоли = 1,8 моль/л).
Решение:
Стандартный электродный потенциал меди – Е(Cu2+/Cu0) = +0,34 B; стандартный электродный потенциал никеля – E(Ni2+/Ni0) = -0,25 B. Медь, потенциал которой (+0,34 В) более электроположительный, чем у никеля (-0,25 В) - катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:
Cu2+ + 2e = Cu0
Никель, имеющий меньший потенциал, является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Ni0 - 2e = Ni2+
Для расчета значения потенциалов, используем уравнение Нернста:
Е = Е0 + (0,059/n)lgC, где
Е0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; C – концентрация ионов металла в растворе.
Тогда
Е(Cu) = +0,34 + (0,059/2)lg1,5 = +0,345 B;
Е(Ni) = -0,25 + (0,059/2)lg1,8 = -0,2575 B.
Для определения ЭДС гальванического элемента необходимо из потенциала катода вычесть потенциал анода, т.е. при вычислении ЭДС элемента меньший электродный потенциал вычитается из большего (в алгебраическом смысле), получим:
ЭДС = +0,345 - (-0,2575) = +0,6025 приблизительно +),60 B.
Схема гальванического элемента будет иметь вид:
(+) Ni|Ni2+(1,8 M)||Cu2+(1,5 M)|Cu (-).
Задача 196.
Вычислить ЭДС гальванического элемета: Mn|MnSO4||AgNO3|Ag, если концентрация MnSО4 равна 10 М, а AgNО3 - 2 М.
Решение:
Серебро, потенциал которого (+0,799 В) более электроположительный, чем у марганца (-1,180 В) - катод, т. е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:
Ag+ + 1e = Ag0
Марганец имеет меньший потенциал (-1,180 В) является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Mn0 - 2e = Mn2+
Электродные процессы на электродах:
К(-): 2|Ag+ + 1e = Ag0
А(+): 1|Mn0 - 2e = Mn2+
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного и катодного процессов, получим:
2Ag+ + Mn0 = 2Ag0 + Mn2+
Для расчета значения потенциалов, используем уравнение Нернста:
Е = Е0 + (0,059/n)lgC, где
Е0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; C – концентрация ионов металла в растворе.
Тогда
Е(Ag) = +0,799 + (0,059/1)lg10 = +0,858 B.
Е(Mn) = -1,180 + (0,059/2)lg2 = -1,171 B;
Для определения ЭДС гальванического элемента необходимо из потенциала катода вычесть потенциал анода, т е. при вычислении ЭДС элемента меньший электродный потенциал вычитается из большего (в алгебраическом смысле), получим:
ЭДС = +0,858 - (-1,171) = +0,313 B.
Ответ: +0,313 B.
Задача 196.
Составьте схему медного концентрационного гальванического элемента с активностями иона Cu2+, равными 1 моль/л у одного электрода и 10–3 – у другого. Рассчитайте ЭДС этого элемента при 298 К.
Решение:
а1 = 1 моль/л;
а2 = 1 • 10-3 моль/л.
Таким образом, a1 > a2; [Cu2+]1 > [Cu2+]2; 1 моль/л > 1 • 10-3 моль/л.
Полюсы элемента:
отрицательный - это электрод с меньшей концентрацией электролита;
положительный - электрод с большей концентрацией электролита\.
Схема электродных процессов:
Катод (-): 1|Cu2+ + 2e = Cu2+ (a2)
Анод (+): 1|Cu0 - 2е = Cu0 (a1)
Определим потенциалы электродов:
Е1(K) = +0,34 + (0,059/2) • lg[1 · 10-3] = +0,2515 B;
Е2(A) = +0,34 + (0,059/2) • lg[1] = +0,34 В.
Для определения ЭДС гальванического элемента необходимо из потенциала катода вычесть потенциал анода, т е. при вычислении ЭДС элемента меньший электродный потенциал вычитается из большего (в алгебраическом смысле), получим:
ЭДС = -0,52 - (-1,26) = +0,74 B.
Схема гальванического элемента:
К(-)Cu|Cu2+(10-3 M)||Cu2+(1 M)|Cu(+)A
Задача 197.
Изобразите схему электродных процессов, суммарное уравнение и условную схему коррозионного элемента, возникающего при коррозии ферромарганца в растворе, с концентрацией 2•10-3. Вычислите ЭДС коррозионного элемента.
Решение:
Железо, потенциал которого (-0,44 В) более электроположительный, чем у марганца (-1,18 В) - катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:
Fe2+ + 2e = Fe0
Марганец имеет меньший потенциал (-1,18 В) является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Mn0 - 2e = Mn2+
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного и катодного процессов, получим:
Fe2+ + Mn0 = Fe0 + Mn2+
Для расчета значения потенциалов, используем уравнение Нернста:
Е = Е0 + (0,059/n)lgC, где
Е0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; C – концентрация ионов металла в растворе.
Тогда
Е(Fe) = -0,44 + (0,059/2)lg0,002 = -0,52 B;
Е(Mg) = -1,18 + (0,059/2)lg0,002 = -1,26 B.
Для определения ЭДС гальванического элемента необходимо из потенциала катода вычесть потенциал анода, т е. при вычислении ЭДС элемента меньший электродный потенциал вычитается из большего (в алгебраическом смысле), получим:
ЭДС = -0,52 - (-1,26) = +0,74 B.
В гальваническом элементе, в котором электродами являются два металла Fe и Mn, опущенные в растворы их солей, электроны будут перемещаться от электрода с более положительным значением стандартного потенциала к электроду с более отрицательным значением стандартного потенциала. Так как электродный потенциал железа (-0,44 B) более электроположителен чем у марганца (-1,18 B), то электроны будут перемещаться от железного электрода к марганцевому, т.е. железо будет катодом, марганец - анодом.
Тогда схема данного гальванического элемента будет иметь вид:
(-)Fe|Fe2+(0,002 M)||Mn2+(0,002 M)|Mn(+)
Можно схематично решить данную задачу так:
1. Схема электродных процессов:
Катод: Fe2+ + 2e = Fe0
Анод: Mn0 - 2e = Mn2+
2. Cуммарное уравнение процесса:
Fe2+ + Mn0 = Fe0 + Mn2+
3. ЭДС коррозионного элемента:
Е(Fe) = -0,44 + (0,059/2)lg0,002 = -0,52 B;
Е(Mg) = -1,18 + (0,059/2)lg0,002 = -1,26 B.
ЭДС = -0,52 - (-1,26) = +0,74 B.
4. Схема коррозионного элемента:
(-)Fe|Fe2+(0,002 M)||Mn2+(0,002 M)|Mn(+)
Задача 198.
1. Схема гальванического элемента : Al|Al2(SO4)3||AgNO3|Ag.
Указать анод и катод, написать электродные процессы, суммарное уравнение реакции и рассчитать электродвижущую силу элемента при 298 К, если [Al3+] =0,0001 моль/л, [Аg+] =0,1моль/л.
2. Составить схему гальванического элемента, в котором алюминий будет катодом. Написать электродные процессы, суммарное уравнение процесса.
Решение:
1). Серебро, потенциал которого (+0,80 В) более электроположительный, чем у алюминия (-1,66 В) - катод, т. е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:
Ag+ + 1e = Ag0
Алюминий имеет меньший потенциал (-1,66 В) является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Al0 - 3e = Al3+
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного и катодного процессов, получим:
Al0 + 3Ag+ = 3Ag0 + Al3+
Для расчета значения потенциалов, используем уравнение Нернста:
Е = Е0 + (0,059/n)lgC где
Е0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе.
Тогда
Е (Ag) = +0,80 + (0,059/1)lg0,1 = +0,74 B;
Е (Al) = -1,66 + (0,059/3)lg0,0001 = -1,74 B.
Для определения ЭДС гальванического элемента необходимо из потенциала катода вычесть потенциал анода, т е. при вычислении ЭДС элемента меньший электродный потенциал вычитается из большего (в алгебраическом смысле), получим:
ЭДС = +0,74 - (-1,74) = +2,48 B.
2). Cхема гальванического элемента, в котором алюминий будет катодом может иметь вид:
(-)Al3+|Al||Mg|Mg2+(+)
Или
(-)AlCl3|Al||Mg|MgCl2(+)
Алюминий, потенциал которого (-1,66 В) более электроположительный, чем у магния (-2,38 В) - катод, т. е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:
Al3+ + 3e = Al0
Магний имеет меньший потенциал (-2,38 В) является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Mg0 - 2e = Mg2+
Cуммарное уравнение процесса:
3Mg0 + 2Al3+ = 3Mg2+ + 2Al0
