Расчет ЭДС гальванического элемента

Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода.

ЭДС = Е_К – Е_А.

Если условия стандартные, то ЭДС элемента Даниэля –Якоби будет равным + 1,18 В.

ЭДС = 0,34 –(–0,76) =1,18.

Если условия отличаются от стандартных, то пользуются эмпирической формулой Нернста для расчета электродных потенциалов:

,

где – равновесный электродный потенциал, В;

– стандартный электродный потенциал, В;

n – степень окисления металла;

R – универсальная газовая постоянная,

R = 8,31 Дж/моль К;

F – число Фарадея, F = 96500 Кл;

[Meⁿ⁺] – концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

 

Если подставить в данную формулу значения R, F, T = 298 K и перевести натуральный логарифм в десятичный, то получится упрощенная формула Нернста:

 

.

 

Таблица 6 – Стандартные электродные потенциалы

 

Уравнение электродного процесса	Стандартный потенциал Е ° при 25°С, В
Li^+ + e® Li	–3,045
Rb^+ + e® Rb	–2,925
K^+ + e® K	–2,924
Cs^+ + e ® Cs	–2,923
Ca^+2+ 2e ® Ca	–2,866
Na^+ + e® Na	–2,714
Mg^2+ + 2e® Mg	–2,363
Al^3+ + 3e® Al	–1,663
Ti^2+ + 2e® Ti	–1,630
Mn^2+ + 2e® Mn	–1,179
Zn^2+ + 2e® Zn	–0,763
Cr^3+ + 3e® Cr	–0,744
Fe^2+ + 2e® Fe	–0,440
Cd^2+ + 2e® Cd	–0,403
Co^2++ 2e® Co	–0,277
Ni^2+ + 2e® Ni	–0,250
Sn^2+ + 2e® Sn	–0,136
Pb^2+ + 2e® Pb	–0,126
Fe^3+ + 3e® Fe	–0,037
2H^+ + 2e® H2	0,000
Bi^3+ + 3e® Bi	0,215
Cu^2+ + 2e® Cu	0,337
Ag^+ + e® Ag	0,799
Hg^2+ + 2e® Hg	0,850
Pd^2= +2e® Pd	0,990
Pt^2+ + 2e® Pt	1,188
Au^+ + e® Au	1,692

 

Примеры решения задач:

Задача 1.

Вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из двух электродов: Ti | Ti²⁺ (0,01 моль/л) || Ni²⁺ (1 моль/л) | Ni.

Решение:

ЭДС гальванического элемента можно рассчитать как разность потенциалов:

ЭДС = E_К – Е_А

В данном гальваническом элементе катод - Ni° |Ni²⁺, а анод - Ti°|Ti²⁺.

Схема гальванического элемента:

А (–) Ti | Ti²⁺ || Ni²⁺ | Ni (+) К

Процессы на электродах:

(–) А: Ti – 2e^- = Ti²⁺;

(+) K: Ni²⁺ + 2e^- = Ni.

По формуле Нернста рассчитываем значение электродного потенциала анода.

E _Ti/Ti²⁺ = E⁰ _T/|Ti²⁺ + = –1,630 + = –1,689 В;

Значение электродного потенциала катода равно величине стандартного электродного потенциала никелевого электрода, так как концентрация ионов Ni²⁺ в растворе составляет 1 моль/л.

E _Ni/Ni²⁺ = E⁰ _Ni/Ni²⁺ = – 0,250 В;

ЭДС = –0,250 – (–1,689) = 1,439 В.

Задача 2.

Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного оловянным и стандартным водородным электродами, если концентрация соли олова равна 0,01 моль/л.

Решение:

ЭДС гальванического элемента можно рассчитать как разность потенциалов:

ЭДС = E_К – Е_А

В данном гальваническом элементе катод – стандартный водородный электрод, а анод - Sn|Sn²⁺.

Схема гальванического элемента:

А (–) Sn | Sn²⁺ || 2H⁺ | H₂ (Pt) (+) К

Процессы на электродах:

(–) А: Sn – 2e^- = Sn²⁺;

(+) K: 2H⁺ + 2e^- = H₂

По формуле Нернста рассчитываем значение электродного потенциала анода.

E _Sn/Sn²⁺ = E⁰ _Sn/|Sn²⁺ + = –0,136 + = –0,195 В;

Значение электродного потенциала катода равно нулю.

ЭДС = 0– (–0,195) = 0,195В.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

181. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного кадмиевым электродом в растворе хлорида кадмия, [Cd²⁺]=0,01 моль/л и цинкового в растворе хлорида цинка, [Mg²⁺]=0,01 моль/л.

182. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного кадмиевым электродом в растворе хлорида кадмия, [Cd²⁺]=0,01 моль/л и цинкового в растворе хлорида цинка, [Zn²⁺]=0,01 моль/л.

183. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного кадмиевым электродом в растворе хлорида кадмия, [Cd²⁺]=0,01 моль/л и никелевого в растворе хлорида никеля, [Ni²⁺]=0,01 моль/л.

184. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного цинковым и магниевым электродами, погруженными в растворы солей при концентрации (моль/л) [Zn²⁺]=0,1, [Mg²⁺]=1.

185. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного кадмиевым электродом в растворе хлорида кадмия, [Cd²⁺]=1 моль/л и цинкового в растворе хлорида цинка, [Zn²⁺]=0,01 моль/л.

186. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из двух свинцовых электродов, один из которых погружен в раствор соли свинца с концентрацией 0,1 моль/л, а другой – 0,0001 моль/л.

187. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного никелевым и палладиевым электродами, погруженными в растворы их солей, если [Ni²⁺]=0,01 моль/л, а [Pd²⁺]=0,1 моль/л.

188. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного оловянным и стандартным водородным электродами, если концентрация соли олова равна 0,0001 моль/л.

189. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин цинка и железа, погруженных в растворы своих солей. Напишите электронные уравнения процессов, протекающих на аноде и на катоде. Вычислите ЭДС этого элемента, если [Zn²⁺]=0,0001 моль/л, а [Fe²⁺]=0,01 моль/л.

190. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного железным и стандартным водородным электродами, если концентрация соли [Fe³⁺] =0,001 моль/л.

191. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластин, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Mg²⁺]=0,01 моль/л, а [Pb²⁺]=0,1 моль/л.

192. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного кадмиевым и стандартным водородным электродами, если концентрация соли кадмия равна 0,01 моль/л.

193. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению

Ni + Pb(NO₃)₂ = Ni(NO₃)₂ + Pb.

Напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС этого элемента, если [Ni²⁺]=0,01 моль/л, а [Pb²⁺]=0,0001 моль/л.

194. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного алюминиевым и стандартным водородным электродами, если концентрация соли алюминия равна 0,001 моль/л.

195. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению

Cu + 2Ag⁺ = Cu²⁺ + 2Ag.

Напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС этого элемента, если [Cu²⁺]=0,01 моль/л, а [Ag⁺]=0,001 моль/л.

196. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного серебряным и стандартным водородным электродами, если концентрация соли серебра равна 0,0001 моль/л.

197. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению

Be + Pb²⁺ = Be²⁺ + Pb.

Напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС этого элемента, если [Pb²⁺]=0,01 моль/л, а [Be²⁺]=0,1 моль/л.

198. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного никелевым и стандартным водородным электродами, если концентрация соли никеля равна 0,0001 моль/л.

199. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению

Al + Cr³⁺ = Al³⁺ + Cr.

Напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС этого элемента, если [Al³⁺]=0,001 моль/л, а [Cr³⁺]=0,0001 моль/л.

200. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного кадмиевыми электродами, если концентрация соли кадмия при положительном электроде равна 1 моль/л, а при отрицательном – 0,0001 моль/л.

201. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению

Cr + FeCl₃= CrCl₃ + Fe.

Напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС этого элемента, если [Fe³⁺]=0,01 моль/л, а [Cr³⁺]=0,001 моль/л.

202. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного цинковым и стандартным водородным электродами, если концентрация соли цинка равна 0,0001 моль/л.

203. Составьте схему галванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению

Co + Pb(NO₃)₂ = Co(NO₃)₂ + Pb.

Напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС этого элемента, если [Co²⁺]=0,01 моль/л, а [Pb²⁺]=0,0001 моль/л.

204. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного хромовым и стандартным водородным электродами, если концентрация соли хрома равна 0,001 моль/л.

205. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых медь была бы катодом, а в другом – анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на аноде.

206. Какой гальванический элемент называется концентрационным?

Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, один из которых погружен в раствор соли серебра с концентрацией 0,1 моль/л, а другой – 0,01 моль/л.

207. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является катодом, а в другом – анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на аноде.

208. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых цинк был бы катодом, а в другом – анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на аноде.

209. Железная и серебряная пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор серной кислоты. Составьте схему данного гальванического элемента и напишите электронные уравнения процессов, происходящих на аноде и на катоде.

210. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке свинцового аккумулятора?

 

Электролиз