Тема 2. Электродвижущие силы гальванических элементов. Потенциометрия
Пример 1. Вычислить электродвижущую силу (ЭДС) окислительно-восстановительного гальванического элемента, состоящего из медного и оловянного электродов, опущенных в 0,2 М раствор нитрата меди и 0,05 М раствор нитрата олова. Составить схему цепи и написать реакцию, протекающую в гальваническом элемента.
Таблица. 1 Значение нормальных электродных потенциалов при 250 С
Электрод |
Нормальный электродный потенциал, Е0 В |
Ag/Ag+ |
+0,799 |
Cu/Cu2+ |
+0,344 |
Ag/AgCl тв., Cl- |
+0,222 |
Sb/Sb3+ |
+0,200 |
H2, (Pt)/H+ |
0 |
Pb/Pb2+ |
-0,127 |
Sn/Sn2+ |
-0,140 |
Ag/AgI тв., I- |
-0,152 |
Ni/Ni2+ |
-0,230 |
Co/Co2+ |
-0,270 |
Cd/Cd2+ |
-0,400 |
Fe/Fe2+ |
-0,440 |
Zn/Zn2+ |
-0,760 |
Mn/Mn2+ |
-1,18 |
Из табл. 1 находим
стандартные электродные потенциалы
меди и олова:
и
.
Пишем схему гальванического элемента:
Далее составляем электродные процессы протекающие на катоде и аноде:
По формуле Нернста определяем электродные потенциалы свинца и меди:
где;
-
нормальный потенциал металла, В,
-
число принятых или отданных электронов,
-
молярная концентрация, моль/л.
Вычисляем ЭДС гальванического элемента;
Пример 2. Измерения
рН раствора проводилось с помощью
хингидронного электрода. Рассчитайте
рН раствора, если ЭДС элемента
при
250С
равна 0,006 В. Стандартный электродный
потенциал хингидронного электрода
(х.г.э) равен 0,699 В; потенциал хлорсеребярнного
электрода (х.с.э.) составляет 0,222 В при
250С.
Следовательно
ЭДС элемента равна
Пример 3. В стандартных растворах NaF были измерены электродные потенциалы фторидселективного электрода относительно хлорсеребряного электрода и получены следующие данные:
|
1∙10-1 |
1∙10-2 |
1∙10-3 |
1∙10-4 |
1∙10-5 |
Е, мВ |
100 |
140 |
190 |
230 |
275 |
Исследуемый образец воды, содержащий фторид-ион, объемом 10,00 мл разбавили водой до 50,00 мл и измерили электродный потенциал фторидселективного электрода в полученном растворе: Ех=210 мВ. Определить концентрацию фторид-иона в исследуемом растворе.
Строим градуировочный
график в координатах
,
где
.
По графику рис. 1 находим
=3,5
и
моль/л,
соответствующую Ех=210
мВ, и рассчитываем активность исследуемого
раствора:
Задачи
Задача 1. Составить схему гальванического элемента. Написать протекающие на электродах реакции и рассчитать ЭДС гальванического элемента.
№ |
МеI |
МеII |
CM(I) (моль/л) |
CM(II) (моль/л) |
1 |
Ag |
Cu |
0,02 |
0,015 |
2 |
Cu |
Sb |
0,1 |
0,05 |
3 |
Sb |
Pb |
0,05 |
0,02 |
4 |
Pb |
Sn |
0,01 |
0,001 |
5 |
Ni |
Cu |
0,2 |
0,001 |
6 |
Co |
Cd |
0,25 |
0,002 |
7 |
Cd |
Co |
0,001 |
0,01 |
8 |
Fe |
Zn |
0,002 |
0,015 |
9 |
Zn |
Fe |
0,02 |
0,05 |
10 |
Ag |
Sb |
0,1 |
0,02 |
11 |
Cu |
Pb |
0,05 |
0,1 |
12 |
Sb |
Sn |
0,01 |
0,001 |
13 |
Pb |
Ni |
0,2 |
0,002 |
14 |
Ni |
Cd |
0,25 |
0,01 |
15 |
Co |
Mn |
0,001 |
0,015 |
16 |
Cd |
Zn |
0,002 |
0,05 |
17 |
Fe |
Cu |
0,02 |
0,01 |
18 |
Zn |
Mn |
0,1 |
0,01 |
19 |
Ag |
Pb |
0,05 |
0,001 |
20 |
Cu |
Sn |
0,01 |
0,002 |
21 |
Sb |
Ni |
0,2 |
0,01 |
22 |
Pb |
Cd |
0,25 |
0,015 |
23 |
Ni |
Co |
0,01 |
0,05 |
24 |
Co |
Zn |
0,002 |
0,02 |
25 |
Cd |
Fe |
0,02 |
0,1 |
Задача 2. ЭДС цепи (или рН), составленной из электродов составляет (см. свой вариант), определите рН или ЭДС цепи исследуемого раствора (Х – искомая величина).
№ |
ЭДС цепи |
Электрод (1) |
Электрод (2) |
Е0 (1) |
Е0 (2) |
рН |
1 |
Х при 250 |
|
|
0,226 |
0,699 |
3,37 |
2 |
0,224 при 300 |
хлорсеребрянный |
|
0,226 |
0,420 |
Х |
3 |
0,154 при 250 |
хингидронный |
каломельный |
0,699 |
0,420 |
Х |
4 |
0,105 при 200 |
водородный |
хлорсеребрянный |
0 |
0,226 |
Х |
5 |
Х при 250 |
водородный |
окисно-ртутный |
0 |
1,340 |
11,89 |
6 |
0,248 при 200 |
хингидронный |
хлорсеребрянный |
0,699 |
0,226 |
Х |
7 |
0,127 при 250 |
водородный |
каломельный насыщенный |
0 |
0,250 |
Х |
8 |
Х при 400 |
хингидронный |
кадмиево-цинковый |
0,699 |
0,360 |
2,27 |
9 |
0,102 при 180 |
хингидронный |
серебрено-медный |
0,699 |
0,459 |
Х |
10 |
Х при 250 |
хлорсеребрянный |
водородно-цинковый |
0,226 |
0,760 |
4,00 |
11 |
Х при 250 |
|
медно-цинковый |
0,420 |
1,100 |
5,80 |
12 |
0,205 при 250 |
хингидронный |
нормальный каломельный |
0,699 |
0,280 |
Х |
13 |
0,310 при 250 |
каломельный насыщенный |
хлорсеребрянный |
0,624 |
0,201 |
Х |
14 |
Х при 250 |
|
марганцево-цинковый |
0,926 |
0,420 |
4,76 |
15 |
0,110 при 250 |
каломельный |
хлорсеребрянный |
0,527 |
0,234 |
Х |
16 |
Х при 250 |
никелево-свинцовый |
хингидронный |
0,103 |
0,699 |
6,29 |
17 |
Х при 250 |
хлорсеребрянный |
оксидно-ртутный |
0,201 |
0,926 |
6,36 |
18 |
0,208 при 250 |
каломельный насыщенный |
хингидронный |
0,250 |
0,699 |
Х |
19 |
Х при 250 |
хлорсеребрянный |
окисно-ртутный |
0,226 |
1,340 |
9,13 |
20 |
0,150 при 250 |
ртутно-сульфатный |
ртутно-кадмиевый |
0,615 |
1,018 |
Х |
21 |
0,040 при 250 |
нормальный каломельный |
марганцево-цинковый |
0,280 |
0,420 |
Х |
22 |
Х при 250 |
хингидронный |
водородный |
0,699 |
0,000 |
7,64 |
23 |
Х при 250 |
оксидно-ртутный |
хлорсеребрянный |
0,926 |
0,201 |
7,62 |
24 |
0,160 при 250 |
хингидронный |
кадмиево-цинковый |
0,699 |
0,360 |
Х |
25 |
Х при 250 |
|
окисно-ртутный |
0,234 |
1,340 |
13,23 |
хлорсеребрянный
хингидронный
каломельный
каломельный
оксидно-ртутный
хлорсеребрянный
Задача 3а. В стандартных растворах веществ с различной активностью металлов измерены электродные потенциалы ионоселективными электродами относительно хлорсеребряного электрода и получены следующие данные (по этим данным построить калибровочный график и определить активность (моль/л) исследуемого раствора);
№ |
Станд. р-р |
Меn+ |
Данные |
|||||
1 |
CdSO4 |
Cd2+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
75,0 |
100,0 |
122,0 |
146,0 |
170,0 |
|||
2 |
K2SO4 |
K+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
- |
-Е, мВ |
100,0 |
46,0 |
−7,00 |
−60,0 |
- |
|||
3 |
CaCl2 |
Ca2+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
- |
-Е, мВ |
45,0 |
12,0 |
- 15,0 |
- 35,0 |
- |
|||
4 |
MgCl2 |
Mg2+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
- |
-Е, мВ |
78,0 |
56,0 |
26,0 |
5,0 |
- |
|||
5 |
CuSO4 |
Cu2+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
82,0 |
110,0 |
132,0 |
159,0 |
192,0 |
|||
6 |
KNO3 |
NO3- |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
25,0 |
56,0 |
84,0 |
123,0 |
162,0 |
|||
7 |
KCl |
Cl- |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
5,0 |
-23,0 |
-65,0 |
-120,0 |
-165,0 |
|||
8 |
Pb(NO3)2 |
Pb2+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
70,0 |
95,0 |
117,0 |
139,0 |
165,0 |
|||
9 |
NH4SCN |
SCN- |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
80,0 |
105,0 |
127,0 |
149,0 |
175,0 |
|||
10 |
Na3PO4 |
PO43- |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
95,0 |
120,0 |
142,0 |
164,0 |
200,0 |
|||
11 |
CdSO4 |
Cd2+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
75,0 |
100,0 |
122,0 |
146,0 |
170,0 |
|||
12 |
NaCl |
Na+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
85,0 |
110,0 |
132,0 |
154,0 |
190,0 |
|||
13 |
NH4Cl |
NH+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
-15,0 |
-60,0 |
-102,0 |
-134,0 |
-170,0 |
|||
14 |
Li2SO4 |
Li+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
65,0 |
90,0 |
112,0 |
134,0 |
170,0 |
|||
15 |
FeCl2 |
Fe2+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
15,0 |
60,0 |
102,0 |
134,0 |
170,0 |
|||
16 |
CdSO4 |
Cd2+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
75,0 |
100,0 |
122,0 |
146,0 |
170,0 |
|||
17 |
BaCl2 |
Ba2+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
80,0 |
26,0 |
-10,0 |
-50,0 |
-90,0 |
|||
18 |
AgNO3 |
Ag+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
5,0 |
10,0 |
22,0 |
46,0 |
70,0 |
|||
19 |
TlCl |
Tl+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
15,0 |
68,0 |
89,0 |
146,0 |
190,0 |
|||
20 |
CdSO4 |
Cd2+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
75,0 |
100,0 |
122,0 |
146,0 |
170,0 |
|||
21 |
Hg2Cl2 |
Hg2+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
89,0 |
134,0 |
168,0 |
201,0 |
265,0 |
|||
22 |
FeCl3 |
Fe3+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
25,0 |
65,0 |
107,0 |
139,0 |
175,0 |
|||
23 |
K2Cr2O7 |
Cr6+ |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
-95,0 |
-20,0 |
85,0 |
139,0 |
175,0 |
|||
24 |
Na2S |
S2- |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
23,0 |
57,0 |
85,0 |
139,0 |
170,0 |
|||
25 |
KI |
I- |
аМе, моль/л |
1,0∙10-1 |
1,0∙10-2 |
1,0∙10-3 |
1,0∙10-4 |
1,0∙10-5 |
-Е, мВ |
7,0 |
65,0 |
111,0 |
152,0 |
186,0 |
|||
Задача 3б. Потенциал ионоселективного электрода в исследуемом растворе соли объемом (V1), разбавленном до (V2) составил E, мВ. Определить содержание металла в растворе (ответ выразить в моль/л и в г/л).
№ |
Соль |
Меn+ |
Потенциал, Е, мВ |
V1, мл |
V2, мл |
1 |
CdSO4 |
Cd2+ |
94,0 |
10,0 |
50,0 |
2 |
K2SO4 |
K+ |
10,0 |
50,0 |
100,0 |
3 |
CaCl2 |
Ca2+ |
12,0 |
25,0 |
50,0 |
4 |
MgCl2 |
Mg2+ |
44,0 |
20,0 |
100,0 |
5 |
CuSO4 |
Cu2+ |
94,0 |
25,0 |
100,0 |
6 |
KNO3 |
NO32- |
91,0 |
50,0 |
100,0 |
7 |
KCl |
Cl- |
-73,0 |
50,0 |
100,0 |
8 |
Pb(NO3)2 |
Pb2+ |
108,0 |
25,0 |
100,0 |
9 |
NH4SCN |
SCN- |
117,0 |
10,0 |
50,0 |
10 |
Na3PO4 |
PO43- |
181,0 |
15,0 |
50,0 |
11 |
CdSO4 |
Cd2+ |
116,0 |
10,0 |
100,0 |
12 |
NaCl |
Na+ |
91,0 |
25,0 |
200,0 |
13 |
NH4Cl |
NH4+ |
-102,0 |
10,0 |
50,0 |
14 |
Li2SO4 |
Li+ |
156,0 |
50,0 |
250,0 |
15 |
FeCl2 |
Fe2+ |
108,0 |
25,0 |
50,0 |
16 |
CdSO4 |
Cd2+ |
130,0 |
10,0 |
50,0 |
17 |
BaCl2 |
Ba2+ |
-36,0 |
50,0 |
100,0 |
18 |
AgNO3 |
Ag+ |
49,0 |
25,0 |
100,0 |
19 |
TlCl |
Tl+ |
178,0 |
10,0 |
100,0 |
20 |
CdSO4 |
Cd2+ |
102,0 |
50,0 |
100,0 |
21 |
Hg2Cl2 |
Hg2+ |
222,0 |
25,0 |
50,0 |
22 |
FeCl3 |
Fe3+ |
161,0 |
50,0 |
100,0 |
23 |
K2Cr2O7 |
Cr6+ |
155,0 |
50,0 |
50,0 |
24 |
Na2S |
S2- |
98,0 |
25,0 |
50,0 |
25 |
KI |
I- |
114,0 |
50,0 |
100,0 |