5. Электрохимические системы.

5.1 Окислительно-восстановительные реакции.

Задание 123

Окислительно-восстановительные реакции протекают по приведенным схемам. Для каждой реакции укажите: а) окислитель и восстановитель; б) какое вещество окисляется, какое вещество вос­станавливается. Составьте электронные уравнения и на основании их расставьте коэффициенты в уравнениях реакций.

Номер задачи	Схемы реакций
123	Ge + KOH + O2 → K2GеО3 + H2O
	HCl + CrO3 → Cl2 + CrCl3 + H2O

Решение

Окислительно-восстановительные реакции – это встречно-параллельные химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ (или ионов веществ), реализующихся путём перераспределения электронов между атомом-окислителем (акцептором) и атомом-восстановителем (донором).

В процессе окислительно-восстановительной реакции восстановитель отдаёт электроны, то есть окисляется; окислитель присоединяет электроны, то есть восстанавливается. Причём любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений - окисления и восстановления, происходящих одновременно и без отрыва одного от другого.

Окислитель - вещество, в состав которого входят атомы, присоединяющие во время химической реакции электроны.

Восстановитель - вещество, в состав которого входят атомы, отдающие во время химической реакции электроны.

Окисление - процесс отдачи электронов атомом вещества, с увеличением степени окисления.

Восстановление - процесс присоединения электронов атомом вещества, с понижением степени окисления.

Степень окисления (окислительное число, формальный заряд) – вспомогательная условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций. Она указывает на состояние окисления отдельного атома молекулы и представляет собой лишь удобный метод учёта переноса электронов: она не является истинным зарядом атома в молекуле.

а)

4		1	восстановитель
	4
4		1	окислитель

- окисляется, - восстанавливается

б)

2		3	восстановитель
	6
3		2	окислитель

- окисляется, - восстанавливается

5.2. Химические источники электричества.

Электродные потенциалы. Гальванические элементы

Задание 148

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
148	Co | CoSO4 || CuSO4 | Cu (1 M) (0,01 M)

Решение

Анодный процесс – это электрохимический процесс, в результате которого происходит окисление ионов раствора расплава электролита, материала электрода с переходом соответствующих ионов в электролит или образование на аноде новой фазы оксидов, нерастворимых солей и т. п.

Катодный процесс – это электрохимический процесс, в результате которого восстанавливаются ионы электролита, в т.ч. с выделением на катоде металлов, или восстановлением ионов в составе компонентов электрода.

Гальванический элемент - химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

Электродвижущая сила (ЭДС) - скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, то есть любых сил неэлектрического происхождения, действующих в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока.

Уравнение Нернста для определения потенциала при любых условиях

,

где - электродный потенциал;

- стандартный электродный потенциал, измеряется в вольтах;

- универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль·K);

- абсолютная температура, равная 298К;

- постоянная Фарадея, равная 96485,35 Кл·моль⁻¹;

- число электронов, участвующих в процессе;

С_пр и С_реаг - активности соответственно окисленной и восстановленной форм вещества, участвующего в полуреакции.

Если подставить постоянные величины, перейдем от натурального логарифма к десятичному и получим .

В результате уравнение Нернста приобретает следующий вид:

Разность потенциалов для двух электродов называется ЭДС гальванического элемента .

На электроде, имеющем меньший потенциал, происходит отдача электронов, т. е. окисление. Этот электрод называется анодом. Поскольку , анодом является кобальтовый электрод.

На электроде, имеющем больший потенциал, происходит принятие электронов, т. е. восстановление. Этот электрод называется катодом. Им является медный электрод.

Процессы, протекающие в гальваническом элементе:

анод:

катод:

Ионно-молекулярное уравнение:

Молекулярное уравнение:

.