Метод электронного баланса

+3 +7 +5 +2

H₃AsO₃ + KMnO₄ + H₂SO₄ →H₃AsO₄ + MnSO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Ортомышьяковистая Ортомышьяковая

кислота кислота

Из схемы реакции видно, что степень окисления атома мышьяка до реакции +3 , после +5, степень окисления марганца изменилась от +7 до +2.

Отражаем это изменение степени окисления в электронных уравнениях.

As⁺³ – 2e^- = As⁺⁵ 5 - окисление, восстановитель

Mn⁺⁷ +5e^- = Mn⁺² 2 - восстановление, окислитель

Общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно общему числу электронов, принятых окислителем. Найдя наименьшее общее кратное определяем, что молекул восстановителя должно быть 5, а молекул окислителя 2, т.е. находим соответствующие коэффициенты в уравнении.

Уравнение будет иметь вид:

5H₃AsO₃+2KMnO₄+3H₂SO₄=5H₃AsO₄+2MnSO₄+K₂SO₄+3H₂O

Электродный потенциал. Уравнение Нернста

Если пластину любого металла погрузить в воду или раствор электролита, содержащий ионы этого металла, то небольшая часть металла перейдет в раствор, в форме положительно заряженных ионов, а сама пластина, концентрируя на себе избыток свободных электронов, приобретает отрицательный заряд.

Такому переходу содействует связывание ионов металла с молекулами воды (растворителя). В итоге устанавливается равновесие

Me ↔ Me²⁺ + 2e

Me²⁺ + m H₂O ↔ Me²⁺ · m H₂O

Me + m H₂O ↔ Me²⁺ · m H₂O +2e

Положительно заряженные ионы Me⁺², перешедшие в раствор, концентрируются у поверхности пластины, приобретающей отрицательный заряд, в результате возникает двойной электрический слой (ДЭС), обусловливающий резкий скачок электрического потенциала на границе металл - раствор электролита.

Эту разность электрических потенциалов или скачок потенциала на границе металл-раствор электролита называют электродным потенциалом.

Величина электродного потенциала зависит от природы металла, концентрации, точнее активности ионов металла в растворе и температуры.

Математически эта зависимость выражается уравнением В.Г.Нернста (1888).

E_Me = E⁰_Me + 0,0592/n ·lg [Meⁿ⁺]

где E⁰_Me - стандартный электродный потенциал

n - заряд иона металла

[ _Meⁿ⁺] – концентрация ионов металла (моль/л)

Гальванический элемент

Гальванический элемент – это устройство, в котором на основе ОВР получают электрический ток. Наиболее простой медно-цинковый или элемент Даниэля-Якоби. Ячейка, для измерения электродных потенциалов – гальванический элемент – устройство в котором химическая энергия ОВР преобразуется в электрический ток.

Процесс окисления (отдача электронов) на аноде (отрицательный полюс), процесс восстановления (присоединения) электронов – на катоде (положительный полюс)

Причина возникновения электрического тока – разность электродных потенциалов (ЭДС).

ЭДС = Е_к - Е_а > 0, то Е_к > Е_а, т.е. катод – электрод с более высоким электродным потенциалом.

Рис. 1.8.1. Гальванический элемент Даниэля-Якоби

Пластины цинка и меди опущены в раствор солей (сульфатов цинка и сульфата меди (II) ). На электроде из цинка происходит окисление атомов цинка в ионы (растворение):

Zn - 2e = Zn⁺² (анод)

Электроны поступают во внешнюю цепь. На медном электроде – восстановление ионов Cu²⁺ в атомы, которые осаждаются на электроде:

Cu²⁺+2е = Cu⁰ (катод)

Электрод на котором протекает процесс окисления – анод, восстановление – катод.

Суммарное уравнение:

Zn-2e= Zn⁺² (анодный процесс)

Cu²⁺+2е=Cu⁰ (катодный процесс)

Zn+ Cu²⁺= Zn⁺²+ Cu⁰

или в молекулярной форме

Zn+CuSO₄ = ZnSO₄+Cu

Цинковый электрод - источник электронов – отрицательный, медный – положительный. В результате возникновения разности потенциалов протекает электрический ток.

ЭДС гальванического элемента можно вычислить по разности стандартных электродных потенциалов. Т.к. ЭДС должно быть >0, поэтому надо из потенциала электрода имеющего большую алгебраическую величину, вычитать электрод, алгебраическая величина которого меньше.

∆Е (ЭДС) = Е_К - Е_А

В таблице стандартных электродных потенциалов

Е⁰_Zn⁺²/_Zn= - 0,763 В, Е⁰_Cu²⁺/_Cu = +0,337 В

Тогда ЭДС = Е⁰_Cu²⁺/_Cu - Е⁰_Zn⁺²/_Zn = 0,337 - (-0,763) = 1,1В

Электроны будут переходить от металла с более отрицательным потенциалом к металлу с более положительным. Схема работы данного гальванического элемента: А(-) Zn⁰/Zn ²⁺// Cu²⁺/Cu⁰ К(+).