Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
eq_el_chem_2.pdf
Скачиваний:
31
Добавлен:
13.05.2015
Размер:
244 Кб
Скачать
☆
ãäå aCl−

Типы гальванических элементов

15

E = Eï − Eë

= Eo−

 

−

RT

ln a

− − Eo

 

 

,AgCl,Ag

 

2+

,Cd

 

Cl

 

F

Cl

Cd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Eo − 3RT ln aCdCl

2F 2

ãäå aCdCl2 — средняя активность раствора CdCl2. 2. Cd | Cd(NO3)2 ¦ NaCl | AgCl | Ag

ЭДС этого элемента

− RT ln a 2+ =

2F Cd

,

E = Eo−

 

−

RT

ln a

− − Eo

 

 

−

RT

ln a

2+ ,

,AgCl,Ag

 

2+

,Cd

 

Cl

 

F

Cl

Cd

 

 

2F

Cd

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ãäå aCl− — активность ионов хлора в растворе первого электрода, aCd2+ — активность ионов кадмия в растворе второго электрода.

3. Pt, H2 | HCl || NaCl | AgCl | Ag ЭДС этого элемента

E = Eo−

−

RT

ln a

− − Eo+

−

RT

a2

+

 

 

 

ln

H

 

 

 

 

 

,

Cl

,AgCl,Ag

F

Cl

H

,H2

2F

%

 

 

 

 

 

pH2

— активность ионов хлора в растворе первого электрода, aH+ — активность ионов водорода в растворе второго электрода, p%H2 — относительное парциальное давление водорода над раствором второго электрода.

ÒИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Химическиецепи

Гальванические элементы первого типа — химические цепи — представляют собой элементы, составленные из электродов, на которых протекают различные электрохимические реакции.

Например,

Cu | CuCl2 | AgCl | Ag

Cd | CdCl2 ¦ NaBr | AgBr | Ag

Концентрационныецепи

Гальванические элементы второго типа — концентрационные цепи — представляют собой элементы, составленные из электродов, на которых

16

Введение

протекают одинаковые химические реакции, но концентрации реагирующих веществ на электродах различны.

Например,

ϕD

Cu | CuSO4 ¦ CuSO4 | Cu

aCu′′ 2+ < aCu′ 2+

ãäå aCu′ 2+ è aCu′′ 2+ — различные активности ионов меди на электродах, ϕD — диффузионный потенциал, возникающий на границе растворов.

Запишем потенциалы обоих электродов:

E1

= E1o +

 

RT

 

ln aCu′ 2+ ,

 

 

 

 

 

 

 

2F

 

 

E2

= E2o +

RT

ln aCu′′ 2+ .

 

 

 

 

 

 

2F

 

 

Тогда ЭДС элемента будет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E =

RT

 

 

a′

2+

 

 

ln

 

 

Cu

.

 

 

a′′

 

 

 

2F

2+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cu

 

 

Как правило, различие в концентрациях веществ на разных электродах концентрационных элементов мало, поэтому диффузионный потенциал вносит существенный вклад в общую ЭДС.

С учетом диффузионного потенциала ЭДС гальванического элемента обратимого относительно катиона будет

E = t

 

ν RT

 

a′

 

 

 

 

 

ln

±

,

− ν

+

zF

a′′

 

 

 

 

 

 

 

±

 

ãäå t– — число переноса анионов, ν — общее число формульных частиц, составляющих данный электролит, ν+ — число формульных частиц катионов, составляющих данный электролит. (Для пояснения физического смысла величин ν è ν+ см. ниже выражения (7) и (8) в описании методики выполнения работы ¹ 2.)

ЭДС гальванического элемента обратимого относительно аниона будет

E = −t

 

ν RT

 

a′

 

 

 

 

 

ln

±

,

+ ν

−

zF

a′′

 

 

 

 

 

 

 

±

 

Термодинамика обратимых электрохимических систем

17

ãäå t+ — число переноса катионов, ν– — число формульных частиц анионов, составляющих данный электролит.

ЭДС гальванического элемента определяется уравнением Нернста только в условиях обратимого протекания в нем процессов. Это соответствует протеканию через элемент бесконечно малого тока (бесконечно медленное проведение процессов). Поэтому измерение ЭДС электрохимических цепей стремятся проводить в условиях, когда ток через элемент не протекает или этот ток бесконечно мал. В условиях протекания через гальванический элемент значительных токов происходит существенное уменьшение ЭДС элемента, которое определяется многими факторами, в том числе, кинетикой электродных реакций и условиями диффузии веществ внутри элемента. Для измерения ЭДС электрохимических цепей пользуются компенсационной схемой или потенциометрами с достаточно большим входным сопротивлением (сотни МОм).

ÒЕРМОДИНАМИКА ОБРАТИМЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Изменение энергии Гиббса для реакции, протекающей в гальваническом элементе, можно записать

∆rG = – EzF

Запишем также уравнение Гиббса — Гельмгольца

∆ rG = ∆ r H + T d ∆rG . dT

Тогда

zFE = −∆ r H + T zF d E . dT

Учитывая, что для химической реакции справедливо

∆ rG = ∆ r H − T ∆ r S .

Получим

∆ r S = −TzF d E .

dT

18

Введение

Таким образом, температурный коэффициент ЭДС оказывается связан с изменением энтропии химической реакции, протекающей в гальваническом элементе.

На практике, измеряя ЭДС гальванического элемента при разных температурах и постоянном давлении, мы можем определить как изменение энтропии, так и изменение энтальпии соответствующей химической реакции.

ÏОТЕНЦИОМЕТРИЯ

Потенциометрия — метод исследования, в основе которого лежат термодинамические соотношения между ЭДС электрохимических цепей, с одной стороны, и физико-химическими параметрами растворов и химических реакций с другой. Потенциометрию используют для определения

—pH растворов,

—констант гидролиза солей,

—констант диссоциации кислот и оснований,

—произведений растворимости малорастворимых соединений,

—констант устойчивости комплексов,

—коэффициентов активности ионов в растворах,

—термодинамических характеристик химических реакций

—è ò. ä.

Ионное равновесие в растворе характеризуется соответствующими тер-

модинамическими константами. Например, для малорастворимого соединения, диссоциирующего по уравнению

AB € A+ + B–

равновесие характеризуется произведением растворимости:

LAB = aA+ aB− .

Для определения произведения растворимости можно составить гальванический элемент

A | AB | DB || AC | A,

где AC и DB — хорошо растворимые соли соответствующего катиона (A+) и аниона (B–), A+ | A — электрод первого рода, а B– | AB, A — электрод второго рода. На электродах будут протекать следующие реакции:

(1)

A+ + e– € A,

(2)

AB + e– € A + B–.

Запишем уравнения Нернста для этих электродов.

 

Потенциометрия

 

 

 

 

 

 

 

 

19

 

= Eo+

 

+

RT

 

a′

+

 

= Eo+

 

+

RT

 

ln a′

 

 

E

 

ln

A

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

F

+

1

A

,A

 

 

F

 

 

a′

 

 

 

 

A

,A

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eo

 

 

RT

 

 

a′′

 

 

Eo

 

 

 

RT

 

 

E

 

 

 

 

ln

 

AB

 

 

 

 

 

 

ln a′′

 

 

 

F

aA′′ aB′′−

 

 

 

2 =

B− ,AB,A +

 

 

 

 

B−

,AB,A −

 

F

 

B−

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

Электрод второго рода можно представить как электрод первого рода, только с очень малой концентрацией иона металла, которая будет зависеть от концентрации аниона, образующего с ним малорастворимое соединение. Тогда, учитывая выражение для произведения растворимости, получим

E = Eo+

+

RT

ln a′′+ = Eo+

 

+

RT

ln

LAB

F

 

 

 

2 A ,A

 

A

A

,A

 

F aB′′−

 

 

 

 

 

 

Выражение для ЭДС этого элемента будет

E = E − E = Eo+

 

RT

ln a′

+ − Eo+

 

RT

L

RT

a′ + a′′−

+

 

−

 

ln

AB

=

 

ln

A B

 

F

 

 

 

LAB

1 2 A

,A

A

A

,A

F

aB′′−

F

 

 

 

 

 

 

 

.

Таким образом, произведение растворимости малорастворимого соединения связано с ЭДС рассмотренного элемента, и для его определения необходимо измерить ЭДС элемента при известных активностях иона металла (A+) в растворе первого электрода и аниона B– в растворе второго.

Для определения других термодинамических констант необходимо составлять соответствующие электрохимические цепи и измеряя их ЭДС при известных активностях потенциалопределяющих веществ вычислять значение констант.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]