Методические указания, программа, решение типовых задач и контрольные задания для студентов заочного отделения инженерно-технических специальностей Санкт-Петербург (стр. 18 из 33)
239. См. условие задачи 222.
l2 + Cl2 + Н2О ® НlO3 + HCl
K2Cr2O7 + H3PO3 + H2SO4 ® Cr2(SO4)3 + H3PO4 + K2SO4 + H2O
240. Могут ли происходить окислительно-восстановительные реакции между веществами: а) РН3 и НВr; б) К2Сr2О7 и Н3РО3; в) HNO3 и H2S? Почему? На основании электронных уравнений расставьте коэффициенты в уравнении реакции, идущей по схеме:
AsH3 + HNO3 ® H3AsO4 + NO2 + H2O
Электронные потенциалы и электродвижущие силы
При решении задач этого раздела см. табл. 8,
Если металлическую пластинку опустить в воду, то катионы металла на ее поверхности гидратируются полярными молекулами воды и переходят в жидкость. При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, заряжают его поверхностный слой отрицательно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла. В результате этого в системе устанавливается подвижное равновесие:
Me + mH2O
+ ne–в растворе на металле
где п – число электронов, принимающих участие в процессе. На границе металл – жидкость возникает двойной электрический слой, характеризующийся определенным скачком потенциала – электродным потенциалом. Абсолютные значения электродных потенциалов измерить не удается. Электродные потенциалы зависят от ряда факторов (природы металла, концентрации, температуры и др.). Поэтому обычно определяют относительные электродные потенциалы в определенных условиях – так называемые стандартные электродные потенциалы (Е°).
Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью), равной 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25°С условно принимается равным нулю (Е° = 0; DG° = 0).
Располагая металлы в ряд по мере возрастания их t стандартных электродных потенциалов (E°), получаем так называемый ряд напряжений.
Положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях. Чем меньше значение E°, тем большими восстановительными способностями обладает данный металл в виде простого вещества, и тем меньшие окислительные способности проявляют его ионы, и наоборот. Электродные потенциалы измеряют в приборах, которые получили название гальванических элементов. Окислительно-восстановительная реакция, которая характеризует работу гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС элемента имеет положительное значение. В этом случае DG° < 0, так как DG° = = – nFE°.
Пример 1. Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем кобальта (табл. 8) . Изменится ли это соотношение, если измерить потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 моль/л, а потенциалы кобальта – в растворе с концентрацией 0,1 моль/л?
Таблица 8.
Стандартные электродные потенциалы (E°)
некоторых металлов (ряд напряжений)
| Электрод | E°, В | Электрод | E°, В |
| Li+/Li | -3,045 | Cd2+/Cd | -0,403 |
| Rb+/Rb | -2,925 | Co2+/Co | -0,277 |
| K+/K | -2,924 | Ni2+/Ni | -0,25 |
| Cs+/Cs | -2,923 | Sn2+/Sn | -0,136 |
| Ba2+/Ba | -2,90 | Pb2+/Pb | -0,127 |
| Ca2+/Ca | -2,87 | Fe3+/Fe | -0,037 |
| Na+/Na | -2,714 | 2H+/H2 | -0,000 |
| Mg2+/Mg | -2,37 | Sb3+/Sb | +0,20 |
| Al3+/Al | -1,70 | Bi3+/Bi | +0,215 |
| Ti2+/Ti | -1,603 | Cu2+/Cu | +0,34 |
| Zr4+/Zr | -1,58 | Cu+/Cu | +0,52 |
| Mn2+/Mn | -1,18 | Hg2+2/2Hg | +0,79 |
| V2+/V | -1,18 | Ag+/Ag | +0,80 |
| Cr2+/Cr | -0,913 | Hg2+/Hg | +0,85 |
| Zn2+/Zn | -0,763 | Pt2+/Pt | +1,19 |
| Cr3+/Cr | -0,74 | Au3+/Au | +1,50 |
| Fe2+/Fe | -0,44 | Au+/Au | +1,70 |
Решение. Электродный потенциал метала (E) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:
,
где E° – стандартный электродный потенциал; n – число электронов, принимающих участие в процессе; С – концентрация (при точных вычислениях – активность) гидратированных ионов металла в растворе, моль/л; E° для никеля и кобальта соответственно равны -0,25 и -0,277 В. Определим электродные потенциалы этих металлов при данных в условии концентрациях:
Таким образом, при изменившейся концентрации потенциал кобальта стал больше потенциала никеля.
Пример 2. Магниевую пластинку опустили в раствор его соли. При этом электродный потенциал магния оказался равен -2,41 В. Вычислите концентрацию ионов магния (в моль/л).
Решение. Подобные задачи также решаются на основании уравнения Нернста (см. пример 1):
.
Пример 3. Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной концентрацией 1 моль/л. Какой металл является анодом, какой катодом? Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его ЭДС.
Решение. Схема данного гальванического элемента
(–) Mg |Mg2+| |Zn2+| Zn (+)
Вертикальная линейка обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две линейки – границу раздела двух жидких фаз – пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (–2,37 в) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Mg0 – 2e– = Mg2+ (1)
Цинк, потенциал которого -0,763 В, – катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:
Zn2++2е– = Zn0 (2)
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:
Mg + Zn2+ = Mg2+ + Zn
Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода. Так как концентрация ионов в растворе равна 1 моль/л, то ЭДС элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:
.
241.В два сосуда с голубым раствором медного купороса поместили в первый цинковую пластинку, а во второй серебряную. В каком сосуде цвет раствора постепенно пропадает? Почему? Составьте электронные и молекулярное уравнения соответствующей реакции.
242.Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса цинковой пластинки при взаимодействии ее с растворами: a) CuSО4; б) MgSO4; в) Рb(NО3)2? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.
243.При какой концентрации ионов Zn2+ (в моль/л) потенциал цинкового электрода будет на 0,015 В меньше его стандартного электродного потенциала? Ответ: 0,30 моль/л.