2 Окисление

3 Восстановление

Запишем уравнение реакции, протекающей в гальваническом элементе:

Составим схему гальванического элемента. При схематичном изображении гальванического элемента слева записывается анод, справа – катод. При этом вертикальная разделительная черта обозначает границу раздела фаз металл/раствор, а двойная разделительная черта – границу раздела двух растворов. Стрелкой указывается направление движения электронов.

Электродвижущая сила гальванического элемента рассчитывается по формуле:

где – электродный потенциал катода; – электродный потенциал анода.

При стандартных условиях ( Т = 25 ⁰С и = 1 моль/л) электродвижущая сила рассчитывается через стандартные электродные потенциалы:

При условиях, отличающихся от стандартных электродный потенциал каждого электрода вычисляется по уравнению Нернста:

где - стандартный электродный потенциал металла; – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/моль·К; – температура, К; – число электронов, участвующих в электродном процессе; - постоянная Фарадея, равная 96500 Кл; - концентрация ионов металла в растворе, в который погружен электрод, моль/л.

Вычислим электродные потенциалы обоих электродов. Для этого переведем температуру в К: Т = 273 + 25 = 298 К. Число электронов , для анодного процесса равно 3, для катодного – 2.

При Т = 25 ⁰С электродные потенциалы электродов можно вычислить также, используя сокращенное уравнение Нернста:

где - стандартный электродный потенциал металла; – число электронов, участвующих в электродном процессе; - концентрация ионов металла в растворе, в который погружен электрод, моль/л.

Вычислим электродвижущую силу гальванического элемента:

Ответ: ; .

Задача №3.

а) Какие продукты образуются при электролизе расплава ZnCl₂? Напишите уравнения электродных процессов. Какое количество электричества было пропущено через электролизер, если на катоде образовалось 5 г продукта? Какое количество продукта было получено на другом электроде (н.у.)?

В расплаве ZnCl₂ диссоциирует на ионы:

ZnCl₂ ↔ Zn²⁺ + 2Cl^¯

Перераспределение ионов происходит следующим образом: Zn²⁺ идут к отрицательно заряженному катоду, а Cl^¯ - к положительно заряженному аноду:

К (-) Zn²⁺

А(+) Cl^¯

Согласно правилам электролиза в расплавах, на катоде будет происходить восстановление катиона металла.

К (-) Zn²⁺ +2ē = Zn

Таким образом, на катоде будет образовываться осадок цинка. При электролизе расплавов солей бескислородных кислот на аноде идет окисление кислотного остатка:

А(+) 2Cl^¯ – 2ē = Cl₂

В качестве продукта на аноде будет выделяться газообразный хлор.

Согласно первому закону Фарадея

где - масса вешества, полученного на электроде, г; – эквивалентная масса вещества, г/моль; - количество электричества, пропущенное через электролизер, Кл; – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/моль.

Выразим отсюда количество электричества:

Рассчитать количество электричества можно, зная массу продукта на одном из электродов. По условию задачи на катоде выделилось 5 г продукта. Таким образом, = 5 г.

Эквивалентная масса цинка определяется по формуле:

где – эквивалент; – молярная масса вещества, г/моль.

= ½ ·65 г/моль = 32,5 г/моль

Рассчитаем количество электричества, пропущенного через электролизер:

Рассчитаем объем хлора, который выделяется на аноде, используя формулу:

где – эквивалентный объем газа, л/моль; – количество электричества, Кл; – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/моль.

Эквивалентный объем газа при нормальных условиях (н.у.) определяется по формуле:

где – молярный объем газа, равный 22,4 л/моль; – число атомов элемента в молекуле газа; – эквивалент элемента.

Рассчитаем эквивалентный объем хлора:

Далее рассчитываем объем хлора, выделившегося на аноде:

Ответ: = ; = 14846 Кл.

б) Какие продукты образуются при электролизе водного раствора Zn(NO₃)₂? Напишите уравнения электродных процессов. Вычислите массу и объем газообразных продуктов (н.у.), выделившихся на электродах при пропускании тока силой 5 А в течении 1 часа 20 минут, если выход по току составляет 90%.

Алгоритм решения

В водном растворе Zn(NO₃)₂ диссоциирует на ионы:

Zn(NO₃)₂ ↔ Zn²⁺ + 2 NO₃^¯

Перераспределение ионов происходит следующим образом: Zn²⁺ идут к отрицательно заряженному катоду, а NO₃^¯ - к положительно заряженному аноду:

К (-) Zn²⁺

А(+) NO₃^¯

Цинк находится в электрохимическом ряду напряжений металлов между Al и H ( ). В таком случае, согласно правилам электролиза в растворах, на катоде будет происходить одновременно восстановление катиона металла и воды.

К (-) Zn²⁺ +2ē = Zn

2H₂O + 2ē = H₂ + 2OH¯

Таким образом, на катоде будет образовываться одновременно осадок цинка и выделяться газ водород.

Zn(NO₃)₂ - соль кислородсодержащей кислоты. Согласно правилам электролиза водных растворов, кислотные остатки кислородсодержащих кислот на аноде не окисляются. Вместо этого происходит окисление молекул воды.

А(+) 2H₂O – 4ē = O₂ + 4H⁺

В качестве продукта на аноде будет выделяться газообразный кислород.

Вычислим массу цинка, образующегося на катоде, согласно первому закону Фарадея:

Где - масса вешества, образующегося на электроде; – эквивалентная масса вещества, г/моль; – сила тока, А; – время, с; – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/моль.

Эквивалентная масса цинка определяется по формуле:

где – эквивалент; – молярная масса вещества, г/моль.

= ½ ·65 г/моль = 32,5 г/моль

Время необходимо перевести в секунды:

= 1ч 20 минут = 80 минут; = 80·60 = 2400 с.

= 4,04 г

Мы вычислили теоретическую массу цинка, которая должна образоваться в процессе электролиза. В условии задачи сказано, что выход по току составляет 90%. Следовательно, масса продукта будет меньше теоретической. Для расчета воспользуемся формулой:

где ВПТ – выход по току, %; – практическая масса продукта, г; – теоретическая масса продукта, рассчитанная по закону Фарадея, г.

Выразим отсюда практическую массу продукта:

Для вычисления объемов газообразных продуктов при нормальных условиях, воспользуемся формулой:

где – эквивалентный объем газа, л/моль; – сила тока, А; – время, с; – постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/моль.

Эквивалентный объем газа при нормальных условиях (н.у.) определяется по формуле:

где – молярный объем газа, равный 22,4 л/моль; – число атомов элемента в молекуле газа; – эквивалент элемента.

Вычислим объем водорода, выделившегося на катоде:

Вычислим объем кислорода, выделившегося на аноде:

Это теоретические объемы, которые могут быть получены в процессе электролиза. Учтем выход по току, используя формулу:

где ВПТ – выход по току, %; – практический объем продукта, л; – теоретический объем продукта, рассчитанный по закону Фарадея, л.

Выразим отсюда практический объем продукта:

Ответ: = ; = ; = .

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Индивидуальное задание «Электрохимические процессы.

Окислительно-восстановительные реакции»

ВАРИАНТ №1

1. Подберите коэффициенты для окислительно-восстановительных реакций. Укажите, какой элемент является окислителем, а какой – восстановителем. Приведите электронно-ионные уравнения процессов окисления и восстановления.

H₂ + S → H₂S

MnO₂ + O₂ + KOH → K₂MnO₄ + H₂O

K₂SnO₂ + Br₂ + KOH → K₂SnO₃ + KBr + H₂O

2. Записать схему гальванического элемента, состоящего из алюминиевого и никелевого электродов, погруженных в растворы своих солей; написать уравнения электродных процессов; написать уравнение реакции, которая протекает в гальваническом элементе; рассчитать электродвижущую силу гальванического элемента при стандартных условиях; рассчитать электродвижущую силу гальванического элемента при температуре 25 ⁰С и концентрациях С(Al³⁺) = 0,1 моль/л; С(Ni²⁺) = 0,1 моль/л.

3. Какие продукты образуются при электролизе водного раствора AgNO₃? Напишите уравнения электродных процессов. Сколько времени нужно пропускать через раствор ток силой 3,5 А, чтобы покрыть предмет с поверхностью 80 см² слоем серебра толщиной 0,005 мм (плотность серебра 10,5 г/см³)?