4.2 Примеры решения типовых задач
Пример 1
Будет ли протекать химическая реакция: а) при погружении цинка в раствор нитрата серебра, б) при погружении серебра в раствор хлорида магния?
Решение:
а) Для выяснения возможности протекания окислительно-восстановительной реакции выпишем из справочника физико-химических величин стандартные электродные потенциалы систем, указанных в примере:
Ag++ e - =Ag 0Ag=0,80 В
Zn2++ 2e - =Zn 0Zn= -0,76 B
Поскольку 0Ag значительно превышает по величине 0Zn, то цинк будет окисляться, образуя катионы Zn2+, а ионы серебра будут восстанавливаться, превращаясь в нейтральные атомы. В результате протекает химическая реакция в соответствии с уравнением
2AgNO3 + Zn = 2Ag + Zn(NO3)2.
б) При погружении серебра в раствор хлорида магния серебро не будет вытеснять магний из его соли, так как 0Ag больше 0Mg (серебро стоит в ряду напряжений правее магния). Серебро не может выступать в роли восстановителя (окисляться), вот почему химическая реакция между серебром и хлоридом магния не протекает.
Пример 2
Стандартные электродные потенциалы олова и свинца равны -0,14 В и -0,13 В соответственно. Будет ли олово вытеснять свинец из раствора его соли при 250С, если концентрация Sn2+ в растворе равна 0,1 моль/л, а концентрация Pb2+ составляет 0,001 моль/л?
Решение:
Так как стандартные электродные потенциалы олова и свинца близки по величине, то для ответа на вопрос задачи необходимо рассчитать электродные потенциалы систем
Pb2+ + 2e - =Pb и Sn2+ + 2e - =Sn
в условиях, отличных от стандартных. Для этого воспользуемся уравнением Нернста:
.
Sn = -0,14 + 0,059 : 2 lg0,1 = -0,17 В;
Zn = -0,13 + 0,059 : 2 lg0,001 = -0,22 В.
Так как потенциал олова в данных условиях больше потенциала свинца, то олово не может выступать в качестве восстановителя, оно не будет вытеснять свинец из раствора его соли.
Пример 3
Гальванический элемент составлен из свинцовых пластинок, контактирующих с растворами нитрата свинца (II) различных концентраций: 10–1 моль/л и 10–4 моль/л. Принимается, что степень электролитической диссоциации нитрата свинца равна 100%, температура 298 К. Определите потенциалы электродов. Какой из них является катодом, какой – анодом? Запишите схему гальванического элемента, вычислите его ЭДС.
Решение:
Определить потенциалы электродов в условиях, отличных от стандартных, можно в соответствии с уравнением Нернста:
.
Стандартный
электродный потенциал свинца
0,126
В;
n=2,
так как в процессе Pb2++
2е-
=Pb
участвуют два электрона.
Вычислим потенциал первого электрода, погруженного в раствор нитрата свинца концентрацией 10 –1моль/л. Так как диссоциация соли считается полной, то концентрация нитрата свинца равна концентрации катионов свинца в растворе, и тогда
В.
Вычислим потенциал второго электрода, погруженного в раствор нитрата свинца концентрацией 10 –4моль/л:
В.
В гальваническом элементе катодом является электрод с большим значением электродного потенциала, а анодом – с меньшим значением. Следовательно, та свинцовая пластинка, которая погружена в 0,1 М раствор нитрата свинца, является катодом, а та, которая находится в 0,0001 М растворе – анодом.
Схема гальванического элемента:
(-) Pb/Pb2+(0,0001 М)//Pb2+(0,1 М)/Pb (+).
В схеме одинарной чертой показана граница раздела между проводниками первого и второго рода (металл – раствор электролита), а двойной чертой – граница между проводниками второго рода (растворы электролита различной концентрации).
ЭДС гальванического элемента вычисляется как разность потенциалов катода и анода:
ЭДС = 1 – 2 = –0,156 – (–0,244) = 0,088 (В).
Такой гальванический элемент называется концентрационным.
Пример 4
Какие процессы протекают при атмосферной коррозии железа, содержащего примеси серебра?
Решение:
При повышенной влажности поверхность металла покрыта тонкой пленкой воды, в которой растворены соли, атмосферный кислород, углекислый газ, оксиды серы, азота и другие атмосферные примеси. Такая пленка представляет собой раствор электролита. В подобной среде в железе, содержащем примеси серебра, образуются микрогальванические пары. Через толщу металла электроны будут переходить от железа, потенциал которого меньше, к серебру, потенциал которого больше. На серебре возникнет избыток электронов. За счет этого на нем будут протекать процессы восстановления. Серебро выполняет функции катода. Анодом будет являться железо, на нем будут идти процессы окисления.
Анодный
процесс на железе: Fe0
– 2e
-
Fe2+
Железо окисляется. Железное изделие разрушается.
Катодный процесс на серебре: О2 + 2Н2О + 4е - 4ОН –.
Наиболее часто в нейтральной среде наблюдается восстановление растворенного в воде кислорода (коррозия с кислородной деполяризацией).
В результате коррозии железа образуется ржавчина – гидратированные формы оксида железа с переменным содержанием воды: FexOy n H2O.