Електрохімічні процеси. Гальванічні елементи

Короткі теоретичні відомості

Електрохімічними називають хімічні процеси, які відбуваються за рахунок підведеної ззовні електричної енергії, або, навпаки, самі є джерелом її утворення.

Вихідним поняттям у електрохімії є поняття про електродний потенціал (j), який вимірюють у вольтах. j - кількісна величина, що характеризує здатність окисно-відновної системи до окиснення та відновлення. Чим менше її значення, тим легше окислюється відновлена форма системи (Red); чим воно більше, тим легше проходить процес відновлення окисленої форми (Ox).

Рівняння Нернста характеризує залежність j від природи окисно-відновної системи, концентрації потенціалутворюючих іонів і температури. Для стандартних умов рівняння Нернста має вигляд:

j_Ox/Red = j⁰_Ox/Red + ,

де j⁰_Ox/Red - стандартний електродний потенціал системи,

z - число електронів у електродній реакції,

[Ox], [Red] – концентрації окисленої та відновленої форм системи відповідно.

Для металічних електродів рівняння Нернста спрощується до:

j = j⁰ + [Me ^{z +}],

а для водневого електрода:

j = 0,059lg[H⁺] = - 0,059pH.

Гальванічний елемент – це технічний пристрій, в якому енергія окисно-відновної реакції безпосередньо перетворюється на електричну за рахунок розділення у просторі процесів окиснення (анод) і відновлення (катод). Необхідно пам’ятати, що > . Електрорушійна сила гальванічного елемента (ЕРС, або просто Е) розраховується як різниця потенціалів:

ЕРС = - .

Приклад. Складіть схему гальванічного елемента, утвореного пластинками з цинку та заліза, зануреними у розчини солей цих металів з концентраціями відповідно 0,01 і 0,1 моль/л. Запишіть рівняння електродних реакцій та сумарної струмоутворюючої реакції. Розрахуйте ЕРС гальванічного елемента.

Розв’язання. Для визначення анода та катода у більшості випадків достатньо скористатись значеннями стандартних електродних потенціалів (див. додаток, табл.4):

= - 0,76 B < = - 0,44 B, тому анодом є цинк.

Рівняння анодного процесу:

А(-): Zn⁰ - 2 e = Zn²⁺.

Анод негативно заряджений відносно зовнішнього електричного кола.

Рівняння катодного процесу:

К(+): Fe²⁺ + 2 e = Fe⁰.

Катод позитивно заряджений відносно зовнішнього електричного кола.

Якщо скласти два рівняння, одержимо рівняння сумарної струмоутворюючої реакції в іонно-молекулярному вигляді:

Zn²⁺ + Fe⁰ = Zn⁰ + Fe²⁺,

або у молекулярному вигляді:

ZnSO₄ + Fe = Zn + FeSO₄.

Схема гальванічного елемента записується так:

Zn⁰ | Zn²⁺ || Fe²⁺ |Fe⁰.

Вертикальною рискою позначено межу між електродом та електролітом, двома рисками – межу поділу між електролітами (пориста перегородка).

Розраховуємо значення потенціалів анода та катода згідно з рівнянням Нернста:

= - 0,76 + = - 0,76 + » - 0,82 В,

= - 0,44 + » - 0,47 В.

Тоді

ЕРС = - = - 0,47 - (- 0,82) = 0,35 В.

Задачі

1. Складіть схеми двох гальванічних елементів, в одному з яких нікель негативно заряджений відносно зовнішнього кола, а в іншому – позитивно. Запишіть рівняння електродних процесів і сумарних струмоутворюючих реакцій. Розрахуйте значення стандартних електрорушійних сил цих елементів.

Як залежить величина потенціалу водневого електрода від рН розчину, в який його занурено? Складіть схему гальванічного елемента, утвореного водневим електродом з певним значенням рН і електродом, виконаним з якогось металу, зануреного в розчин солі цього ж металу з указаною концентрацією. Запишіть рівняння електродних процесів, сумарної струмоутворюючої хімічної реакції. Розрахуйте величину електрорушійної сили цього гальванічного елемента.

2. рН = 4, магній, [Mg²⁺] = 0,1 моль/л.

3. рН = 6, залізо, [Fe²⁺] = 0,01 моль/л.

4. рН = 7, мідь, [Cu²⁺] = 1 моль/л.

5. рН = 10, алюміній, [Al³⁺] = 0,001 моль/л.

6. ЕРС гальванічного елемента, утвореного з алюмінієвої пластинки, зануреної у розчин солі алюмінію з концентрацією 0,003 моль/л, і платинової пластинки, насиченої воднем і зануреної в розчин хлоридної кислоти, дорівнює 1,48 В. Складіть схему гальванічного елемента, запишіть рівняння електродних процесів та сумарної струмоутворюючої хімічної реакції. Визначте концентрацію хлоридної кислоти в розчині.

7. Гальванічний елемент утворено з заліза, зануреного у розчин його солі з концентрацією іонів Fe²⁺, що дорівнює 0,001 моль/л, і з міді, зануреної у розчин її солі. Якої концентрації повинен бути розчин солі міді, щоб ЕРС кола дорівнювала нулю? Складіть схему гальванічного елемента, запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції.

8. Складіть схему гальванічного елемента, утвореного з заліза та свинцю, зануреними у розчини їх солей з концентраціями, що дорівнюють 0,05 моль/л кожна. Запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції та розрахуйте ЕРС елемента.

9. ЕРС гальванічного елемента, утвореного з нікелю, зануреного у розчин його солі з концентрацією іонів Ni²⁺, що дорівнює 1×10^-4 моль/л, і зі срібла, зануреного у розчин його солі, дорівнює 1,108 В. Визначте концентрацію іонів Ag⁺ у розчині його солі. Складіть схему гальванічного елемента, запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції.

Складіть схему гальванічного елемента, в основі якого лежить реакція, що перебігає за наведеним рівнянням. Напишіть електродні рівняння анодного та катодного процесів. Розрахуйте ЕРС цього елемента, знаючи концентрації солей металів.

10. Ni + Pb(NO₃)₂ = Ni(NO₃)₂ + Pb;

[Ni²⁺] = 0,01 моль/л, [Pb²⁺] = 0,0001 моль/л.

11. Mg + FeSO₄ = MgSO₄ + Fe;

[Mg²⁺] = 0,1 моль/л, [Fe²⁺] = 0,1 моль/л.

12. Fe + 2AgNO₃ = Fe(NO₃)₂ + 2Ag;

[Fe²⁺] = 0,01 моль/л, [Ag⁺] = 0,1 моль/л.

13. 2Al + 3Ni²⁺ = 2Al³⁺ + 3Ni;

[Al³⁺] = 0,001 моль/л, [Ni²⁺] = 0,01 моль/л.

14. Cu + Hg²⁺ = Cu²⁺ + Hg;

[Cu²⁺] = 0,1 моль/л, [Hg²⁺] = 1 моль/л.

15. Zn + Cd²⁺ = Zn²⁺ + Cd;

[Zn²⁺] = 0,01 моль/л, [Cd²⁺] = 1 моль/л.

З чотирьох наведених нижче металів виберіть ті пари, які дають найбільшу та найменшу стандартну ЕРС складеного з них гальванічного елемента. Для будь-якого з них складіть схему, запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції. Розрахуйте ЕРС цього гальванічного елемента, якщо концентрації солей металів для анода і катода дорівнюють 0,01 і 0,1 моль/л відповідно.

16. Ag, Cu, Al i Sn.

17. Mg, Zn, Ni i Hg.

18. Co, Fe, Ca i Zn.

19. Cd, Cr, Be i Sn.

20. ЕРС гальванічного елемента, утвореного з магнію, зануреного у розчин його солі з концентрацією іонів Mg²⁺, що дорівнює 1,8×10^-5 моль/л, і з цинку, зануреного у розчин його солі, дорівнює 1,700 В. Визначте концентрацію іонів Zn²⁺ у розчині його солі. Складіть схему гальванічного елемента, запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції.

Складіть схеми двох гальванічних елементів, в одному з яких наведений нижче метал був би анодом, а в іншому – катодом. Для кожного гальванічного елемента запишіть рівняння електродних процесів і сумарної струмоутворюючої хімічної реакції, розрахуйте стандартну ЕРС.

21. Zn.

22. Fe.

23. Sn.

24. Cu.

25. Який гальванічний елемент називають концентраційним? Складіть схему, напишіть рівняння електродних процесів і розрахуйте ЕРС гальванічного елемента, що утворений із срібних електродів, занурених у розчини AgNO₃ з концентраціями 0,01 і 0,1 моль/л.