Алгоритм

1. Рассчитайте, согласно условию задачи, электродные потенциалы металлов.

2. Определите катод и анод.

3. Напишите условно-графическую схему элемента.

4. Нарисуйте сам элемент.

5. Укажите в схеме: а) анод и катод;

б) заряды анода и катода;

в) направление движения электронов по внешней цепи и ионов по электролитическому мостику.

6. Запишите процессы, протекающие на электродах и дайте им названия.

7. Рассчитайте ЭДС гальванического элемента.

РЕШЕНИЕ ТИПОВОЙ ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ: «ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ».

Задача № 1

Рассмотрите работу гальванического элемента: Cu/CuCl₂//CdCl₂/Cd. Концентрация ионов: [Cu²⁺] = 0,1 M; [Cd²⁺] = 0,001 M

1. φ^р_Сu²⁺_/Cu⁰ = φ⁰_Сu²⁺_/Cu⁰ + 0,059/2·lg[Cu²⁺] = 0,34 + 0,059/2·lg10^-1 = 0,3103 В.

φ^р_Сd²⁺_/Cd⁰ = φ⁰_Сd²⁺_/Cd⁰ + 0,059/2·lg[Cd²⁺] = - 0,4 + 0,059/2·lg10^-3 = - 0,4885 B.

2. φ^р_Сu²⁺_/Cu⁰ > φ^р_Сd²⁺_/Cd⁰ => Cd – (A), Cu – (K).

3. ē

_

(A)Cd/ CdCl₂// CuCl₂/ Cu (K)

4. ē

5

+

Cd²⁺

. (A) Cd Cu (K)

Cd²⁺ + Cl^-

Cl^-

6.

(А) Cd⁰ - 2ē → Cd²⁺

(K) Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰

7. ЭДС = φ_(К) – φ_(А) = 0,3103 – (-0,4885) = 0,7988 В

Тема 12. Электролиз

Электролиз – это окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах, опущенных в раствор или расплав электролита и подключённых к внешнему источнику постоянного тока.

Э лектролиз

н ерастворимый

р асплавов растворов

растворимый

Электролиз расплавов солей

K atAn → Kat⁺ + An^‾

K at⁺ Катод: (вос-е) Анод: (ок-е) An^‾

избыток (ē) от источника тока, к недостаток (ē) от источника тока, к

нему подходят Kat⁺, которые при- нему подходят Аn^¯, которые отдают

соединяют недостающие электро- недостающие электроны (окисля-

ны (восстанавливаются) => катод ются) => анод

Katⁿ⁺ + nē → Kat⁰ An^n‾ - nē → An⁰

Электролиз растворов солей

KatAn → Kat⁺ + An^‾

К атод: (вос-е) Анод: (ок-е)

Kat⁺;Н⁺(Н₂О) An^‾; ОН‾(Н₂О)

Возможные процессы:

Katⁿ⁺ + nē → Kat⁰ An^n‾ - nē → An⁰

2Н₂О + 2ē → Н₂⁰ + 2 ОН‾ 2Н₂О - 4ē → О₂⁰ + 4Н⁺

В первую очередь восстанавливаются

те частицы, потенциалы которых боль-

ше

φ^р > ! φ^р <!

Газ (Н₂) плотно облепил катод и затру- Газ (O₂) плотно облепил анод и затру-

дняет разрядку последующих ионов, дняет разрядку последующих ионов,

поэтому потенциал смещается в более поэтому потенциал смещается в более

отрицательную сторону на величину положительную сторону на величину

перенапряжения этого газа, которое перенапряжения этого газа, которое

вычитается. прибавляется.

φ^рн_2/2Н+ = – 0,059 · рН - η^Н2 φ^рО_2/ОН‾ = 1,23 – 0,059 · рН + η^О2

^{Ме(К) Ме(А)}

Выводы:

1. В растворе электролита, кроме Kat⁺ и An^‾, есть вода, поэтому имеет место конкуренция.

2. Последовательность разряда ионов на электродах зависит от величины электродных потенциалов процесса, которые рассчитываются по уравнению Нернста:

φ^рМеⁿ⁺/_Ме⁰ = φ⁰ – 0,059/n lg[Meⁿ⁺]

φ^рн_2/2Н+ = – 0,059 · рН - η^Н2

^Ме(К)

φ^рО_2/ОН‾ = 1,23 – 0,059 · рН + η^О2

^Ме(А)

3. Особенности катодного процесса:

–ионы металлов, стоящих правее водорода в ряду напряжений (малоактивные металлы – Cu²⁺, Hg²⁺, Ag⁺, Au³⁺, Pt²⁺ и др.) восстанавливаются легче водорода.

–ионы металлов средней активности, стоящих в ряду напряжений от марганца до водорода (Mn²⁺, Zn²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, Sn²⁺, Pb²⁺) восстанавливаются одновременно с водородом воды, что зависит от концентрации ионов металла.

–ионы активных металлов от алюминия и левее (Li⁺, Rb⁺, K⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺) не восстанавливаются , а идёт восстановление водорода из воды.

2Н₂О + 2ē → Н₂⁰ + 2 ОН‾

4. Особенности анодного процесса:

1. F^‾, Cl^‾, Br^‾, I^‾;

2. OH^‾;

3. SO₃^2-,NO₃^‾, PO₄^3-, CO₃^2-

Если кислотный остаток не содержит кислорода, то он сам и окисляется (F^‾, Cl^‾, Br^‾, I^‾, S^2-, CN‾).

Если кислотный остаток содержит кислород (SO₃^2-,NO₃^‾, PO₄^3-, CO₃^2-), то кислотный остаток не окисляется, а окисляется кислород из воды

2Н₂О - 4ē → О₂⁰ + 4Н⁺

5. С количественной стороны электролиз подчиняется закону Фарадея:

m = ^Э·I·τ ; где

^F

m – масса выделившегося на электроде вещества (г);

Э – химический эквивалент вещества (Э_Ме = Ar/валентность);

I – сила тока (А);

τ – время (сек.);

F – число Фарадея (96500 Кл)

Электролиз растворов электролитов с растворимым анодом.

KatAn → Kat⁺ + An^‾

Катод: (вос-е) Анод: (ок-е)

Kat⁺;Н⁺(Н₂О) An^‾; ОН‾(Н₂О)

Возможные процессы:

Katⁿ⁺ + nē → Kat⁰ An^n‾ - nē → An⁰

2Н⁺ + 2ē → Н₂⁰ 4ОН‾ - 4ē → О₂⁰ + 2Н₂О

Ме⁰ – nē → Meⁿ⁺

(растворимый анод)