Элементы теории, примеры зачетных задач

Устройства, в которых энергия химической реакции выделяется в виде электрической, называются гальваническими элементами.

Пример 10. Напишите уравнения анодного и катодного процессов, суммарные ионно-молекулярное и молекулярное уравнения этих процессов, протекающих в гальваническом элементе, схема которого: Ni | NiSO₄| СuSO₄ Сu, если С(Сu²⁺)=С(Ni²⁺)=1 моль/л

Вычислите величину электродвижущей силы (ЭДС).

Решение

При концентрациях ионов металлов, равных 1 моль/л, на металлических электродах устанавливаются стандартные электродные потенциалы: Е°Сu²⁺/Сu =+0,34В; Е°Ni²⁺/№ =-0,25В

На электроде, имеющем меньший потенциал, происходит отдача электронов, т.е. окисление. Этот электрод называется анодом. Поскольку Е_Ni²⁺_/Ni < Е_Cu²⁺_/Cu> анодом является никелевый электрод.

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

Процессы, протекающие в гальваническом элементе:

Анод: Ni - 2ē = Ni²⁺

Катод: Сu²⁺ + 2ē = Сu

______________________________________________________________________

Ионно-молекулярное уравнение: Ni + Сu²⁺ = Ni²⁺ + Сu;

Молекулярное уравнение: Ni + СuSO₄= NiSO₄+Сu.

ЭДС=Е_(Кат)-Е_(Ан) = 0,34 - (-0,25) = 0,59 В.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Коррозией называется самопроизвольный процесс разрушения металлов и сплавов в результате их окисления окружающей средой.

Поскольку коррозия является окислительно-восстановительным процессом, вероятность ее протекания тем больше, чем больше разность потенциалов систем окислителя и восстановителя, Е_ок-Е_восст, т.е. чем больше алгебраическое значение Е_ок и меньше Е_восст - Восстановителем при коррозии является металл. Корродировать в первую очередь будет более активный металл, имеющий меньший потенциал. Окислителем (деполяризатором) в процессе коррозии выступает тот компонент окружающей среды, который имеет больший потенциал.

опыт 4. Защитные свойства металлических покрытий

Качественная реакция на ион Fе ²⁺:

3 Fе²⁺ +2[Fе(СN)₆]^3- = Fе₃[Fе(СN)₆]₂↓ (синий)

При коррозии с каким покрытием железа - цинковым или оловянным (луженым) - качественной реакцией открыт ион Fе²⁺?

…………………………………………………………………………………………..

а) Оцинкованное железо.

Соотношение потенциалов: (Е°Fе²⁺/Fе =…. В)……………(Е°Zn²⁺/Zn = ………В),

следовательно, анод - …….., катод -…………. Процессы:

(А) ……………….. - процесс

(К) ……………….….- процесс

………………………ионно-молек. уравнение

…………………..- молекулярное уравнение

б) Луженое железо.

Соотношение потенциалов: (Е°Fе²⁺/Fе = В) (Е°Sn²⁺/Sn = ……В),

следовательно, анод - , катод - Процессы:

(А) …………….. - процесс

(К). ……………………………- процесс

- ионно-молек. уравнение

- молекулярное уравнение

Выводы:

Какое из покрытий катодное, какое - анодное?

Какое покрытие более надежное?

Какое покрытие при хорошем качестве более долговечно?.

опыт 5. Электролиз раствора иодида калия

(+)

Е°I₂/2I^-= +0,54 B

Е°O₂/2H₂O= + 1,23 B

K⁺

(-)

Е° K⁺/K = ….B

I^-

H₂O

Е°2H₂O/H₂= - 0,41B

На катоде (-) протекает процесс восстановления, характеризующийся большим потенциалом: ………………………………………………………………………….

Элементы теории, примеры зачетных задач

Пример 11. Какие процессы будут протекать при коррозии луженой (покрытой оловом) меди в месте нарушения покрытия? Составьте уравнения анодного и катодного процессов и результирующее (суммарное) уравнение процесса коррозии в следующих средах: а) во влажном воздухе; б) в растворе хлороводородной кислоты.

Решение

Более активным восстановителем является олово, т.к. Е⁰Sn²⁺/Sn = - 0,14В < Е°Cu²⁺/Cu = +0.34 В, поэтому, в первую очередь, корродирует олово. Покрытие анодное.

а) Во влажном воздухе окислителем является кислород. Олово (анод) будет окисляться, а на меди (катоде) будет восстанавливаться кислород:

(А) Sn-2е = Sn²⁺ 2

(К) O₂+4е+2Н₂O=4OH^-  1

2Sn+O₂+2Н₂O=2Sn(OН)₂↓

Продуктом коррозии является труднорастворимый гидроксид олова.

б) Несмотря на то, что потенциал кислорода больше, чем иона водорода в растворе кислоты, доступ кислорода к поверхности катода (меди) ограничен из-за его малой растворимости и медленной диффузии. В кислом растворе Е_окис- Е°2Н⁺/Н₂= 0 В > Е_восст=Е°Sn²⁺/ Sn = -0,14 В и окислителем является ион водорода. Уравнения процессов:

(А) Sn -2е = Sn²⁺

(К) 2Н⁺+2е = Н₂

Sn + 2Н⁺ = Sn²⁺ + Н₂, или Sn + 2НСl = SnСl₂ + Н₂.

Электролиз - это совокупность процессов раздельного окисления и восстановления на электродах, осуществляемых в растворах или расплавах электролитов за счет протекания через них постоянного электрического тока от внешнего' источника. В отличие от гальванического элемента при электролизе катод заряжен отрицательно, а анод - положительно.

На катоде протекают процессы восстановления, поэтому в первую очередь восстанавливаются наиболее сильные окислители, то есть катионы, имеющие в данных условиях больший потенциал.

На аноде (+) протекает процесс окисления, характеризующийся меньшим потенциалом: …………………………………………………………………….

У какого электрода наблюдается буро-желтое окрашивание?

У какого электрода обнаружена щелочная среда? Почему?

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

опыт 6. Электролиз раствора сульфата меди

а) с угольным анодом:

(+)

S⁺⁶ – высшая степень окисления

Е°O₂/2H₂O= + 1,23 B

Cu²⁺

(-)

Е° Cu²⁺/Cu = ….B

SO₄^2-

H₂O

Е°2H₂O/H₂= - 0,41B

Процесс на катоде: (-)... . *.... .....

Процесс на аноде:(+)........тт.....

(На аноде окисление серы в 8О4²" - ионе невозможно, т.к. степень окисления серы в нем высшая ,+6).

б) с медным анодом:

S⁺⁶ – высшая степень окисления

Е°O₂/2H₂O= + 1,23 B

Е° Cu²⁺/Cu = ….B

(+)

Cu

Cu²⁺

(-)

Е° Cu²⁺/Cu = ….B

SO₄^2-

H₂O

Cu²⁺

Е°2H₂O/H₂= - 0,41B

Процесс на катоде: (-). …………………………………………………

На аноде протекает процесс окисления, характеризующийся меньшим потенциалом: (+)……………………………………………………………………………….

Дата: Подпись преподавателя :

Элементы теории, примеры зачетных задач

На аноде протекают процессы окисления, поэтому в первую очередь окисляются наиболее сильные восстановители, имеющие в данных условиях меньший потенциал.

Пример 12. Составьте уравнения электродных процессов, протекающих при электролизе водного раствора К₂SО₄ в электролизерах:

а) с угольными электродами; б) с висмутовыми электродами.

Решение

а) На катоде в первую очередь протекает восстановление наиболее сильных окислителей, характеризующихся большим потенциалом. К отрицательно заряженному катоду движутся катионы К⁺, которые могли бы восстанавливаться до металлического калия (Е⁰к⁺/к^:=-2,92В), и полярные молекулы воды, которые могли бы восстанавливаться до водорода (Е°2H⁺/Н₂=0_,00В при рН=0; Е⁰2Н₂O/Н₂=- 0,41В при рН=7). Поскольку Е2H⁺/H₂^> Е⁰K⁺/K= то на катоде восстанавливается вода: 2Н₂0 + 2е= Н₂+2OН^-

К положительно заряженному аноду движутся анионы SО₄^2- и полярные молекулы воды. В сульфат-ионе сера находится в высшей степени окисления (+6), поэтому дальнейшее окисление серы невозможно. В данных условиях протекает единственно возможный процесс - окисление воды до кислорода:

2Н₂O - 4е = O₂ + 4H⁺.

б) На висмутовом аноде кроме окисления воды возможно окисление висмута - материала анода. На аноде протекает, в первую очередь, окисление наиболее сильных восстановителей, характеризующихся меньшим потенциалом. Поскольку Е⁰Bi³⁺/Bi= +0,22 В В < Е о₂/н₂O=+1,23 В, то окисляться будет материал анода: Вi-3е = Вi³⁺.

В растворе появляются ионы Вi³⁺. Они и восстанавливаются на катоде, так как их потенциал больше, чем потенциал иона калия или иона водорода из воды: Вi³⁺ + 3е = Вi

________________________________________________________________________

Комплексными называются такие соединения, в узлах кристаллической решетки которых находятся сложные комплексные ионы (комплексы), способные к самостоятельному существованию в растворе.