Как составить схему гальванического элемента в кислой среде - Сайт, где вы сможете решить свои вопросы

Алгоритм составления схемы гальванического элемента.

Записать схемы
электродов.
Используя
уравнение Нернста рассчитать величины
электродных потенциалов.
Определить,
зная, что φ_к

φ_а,
электрод-анод и электрод-катод.
Составить
схему гальванического элемента,
используя принятую форму записи.
Записываем
уравнения катодной, анодной и суммарной
реакций, идущих в элементе.
Рассчитать ЭДС
гальванического элемента.

Пример
1. Составить
схему гальванического элемента, анодом
которого является магний, погруженный
в раствор соли с концентрацией 0,01М.

Решение.
1.
Записываем схему электрода: Mg|Mg²⁺

По
уравнению. Нернста рассчитываем величину
электродного потенциала:

Так
как в условии задачи не указан материал,
из которого изготовлен катод, то
используя соотношение φ_к

φ_а,
выбираем металл с более положительным
потенциалом. Например, цинковый электрод.
Значение потенциала выбранного электрода
определяем по таблице «Стандартные
электродные потенциалы металлов при
25⁰С».

Следовательно,
.

Записываем схему
гальванического элемента:

А(-)
Mg|Mg²⁺||Zn²⁺|Zn (+)K

Записываем
электродные реакции:

А(-)
Mg

2e^–

Mg²⁺

K(+)
Zn²⁺
+ 2e^–

Zn⁰

Суммарная
реакция: Mg⁰
+ Zn²⁺

Mg²⁺
+ Zn⁰

Рассчитываем ЭДС
гальванического элемента:

Пример
2. Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из водородного электрода,
погруженного в раствор с рН =3 и железного
электрода, погруженного в раствор соли
с концентрацией 0.1М. Рассчитайте ЭДС
элемента.

Решение.
1.
Записываем схемы электродов:

Водородный
– 2Н⁺|
Н₂
(Pt);

Железный
–
Fe|Fe²⁺

По
уравнению Нернста рассчитываем величину
электродного потенциала железного
электрода:

Используя
уравнение Нернста (4) рассчитываем
величину электродного потенциала
водородного электрода:

Используя
соотношение φ_к

φ_а
определяем электрод-анод.

Так
как величина φ-потенциала
железного электрода меньше
следовательно этот электрод является
анодом.

Записываем схему
гальванического элемента:

А(-) Fe|Fe²⁺||2H⁺|H₂ (+)
K

Рассчитываем ЭДС
гальванического элемента.

Задания для
самоконтроля

Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из никелевого электрода-катода,
погруженного в раствор соли с концентрацией
0.02М. Напишите уравнения электродных
реакций и вычислите ЭДС гальванического
элемента.
Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из медного электрода,
погруженного в раствор соли меди с
концентрацией 0.01М и железного электрода,
погруженного в раствор соли железа с
концентрацией 0.1М. Напишите уравнения
электродных реакций. Вычислите ЭДС
гальванического элемента.
Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из стандартного водородного
электрода и ртутного электрода.
Рассчитайте его ЭДС при [Hg²⁺]=0,1
М. Напишите уравнения электродных
реакций.
Составьте
схему и рассчитайте ЭДС концентрированного
гальванического элемента, составленного
из двух железных электродов, погруженных
в раствор соли железа с концентрациями
1 М и 0,01 М. Напишите уравнения электродных
реакций.
В гальваническом
элементе протекает химическая реакция

Zn+NiSO₄=ZnSO₄+Ni.

Напишите его схему
и уравнения электродных реакций.
Вычислите ЭДС этого элемента при
стандартных условиях. Какой металл
вместо никеля можно взять, чтобы увеличить
ЭДС?

Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из водородного электрода,
погруженного в раствор с pH=5,
и марганцевого электрода, погруженного
в раствор соли марганца с концентрацией
0,2 М. Напишите уравнения электродных
реакций и рассчитайте его ЭДС.
Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из водородного электрода,
погруженного в раствор с pH=10,
и серебряного электрода, погруженного
в раствор соли серебра с концентрацией
0,01 М. Напишите уравнения электродных
реакций и рассчитайте его ЭДС.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего при повреждении лужёного железа в кислой среде …

Ученик

(129),
закрыт

3 года назад

Антон Дятлов

Гений

(83312)

6 лет назад

Если железо луженое, значит образована пара железо-олово.
Выпишем стандартные электродные потенциалы (из таблицы) обоих элементов: E0(Fe(2+)/Fe)=-0,44 B, E0(Sn(2+)/Sn)=-0,136 B. Более отрицательный потенциал имеет железо, поэтому оно представляет собой анод при коррозии, соответственно олово будет катодом. В то же время, в кислой среде E(H2)=0 B, E(O2)=1,23BТермодинамически возможна коррозия обоих металлов с кислородной деполяризацией.
Запишем процессы.
Анод: Fe-2e=Fe(2+).
Катод: О2+4Н (+)+4е=2Н2О
Суммарный процесс: 2Fe+O2+4H(+)=2Fe(2+)+2H2O.
Cхема коррозионного элемента:
(-) анод Fe| H2O, H(+), O2|Sn катод (+)
Покрытие катодное.

Источник

Фундаментальные законы физики и химии, и в том числе, закон сохранения массы и энергии вещества, находят свое подтверждение на уровне перемещения мельчайших частиц – электронов, массами которых в химии обычно пренебрегают.

Речь идет об окислительно-восстановительных процессах, сопровождающихся переходом электронов от одних веществ (восстановителей) к другим (окислителям). Причем вещества могут обмениваться электронами, непосредственно соприкасаясь друг с другом.

Однако существует множество случаев, когда прямого контакта веществ не происходит, а процесс окисления-восстановления все равно идет. А если он идет самопроизвольно, то при этом еще и энергия выделяется. Ее человек с успехом использует для выполнения электрической работы.

Реализуется такая возможность в гальваническом элементе, схема работы которого, а также расчеты, связанные с ним, рассматриваются в данной статье.

Содержание:

1) Простейший гальванический элемент: схема работы.

2) Как устроен гальванический элемент Даниэля-Якоби, или Так где же все-таки электрический ток?

3) Типовые задачи на схему гальванического элемента: примеры решения.

Простейший гальванический элемент: схема работы

Гальванический элемент – это прибор, позволяющий при посредстве химической реакции получить электрическую энергию.

Пластинка металла и вода: простые взаимоотношения

Давайте сначала разберемся, что происходит с пластинкой металла, если опустить ее в воду?

Процесс схож с диссоциацией соли: диполи воды ориентируются к ионам металла и извлекают их из пластины. Но почему же тогда не происходит растворения самой пластины в воде? Все дело в строении кристаллической решетки.

Кристаллы соли состоят из катионов и анионов, поэтому диполями воды извлекаются из решетки и те, и другие.

У металла же кристаллическая решетка представлена атомами-ионами. Внутри нее всегда происходит превращение атомов в катионы за счет отщепления валентных электронов и обратный процесс: катионы снова превращаются в атомы, присоединяя электроны. Электроны являются общими для всех ионов и атомов, присутствующих в кристаллической решетке металла.

Процессы внутри металлической кристаллической решетки в обобщенном виде можно показать так:

В итоге, вода, окружающая пластинку – это уже не собственно вода, а раствор, составленный из молекул воды и перешедших в нее из пластины ионов металла. На пластине же возникает избыток электронов, которые скапливаются у ее поверхности, так как сюда притягиваются гидратированные катионы металла.

Возникает так называемый двойной электрический слой.

Бесконечно катионы металла с пластины в раствор уходить не будут, поскольку существует и обратный процесс: переход катионов из раствора на пластину. И он будет идти до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие:

На границе раздела «металлическая пластина – раствор» возникает разность потенциала, которая называется равновесным электродным потенциалом металла.

Пластинка металла и раствор его соли: к чему приводит такое соседство

А что произойдет, если металлическую пластинку поместить не в воду, а в раствор соли этого же металла, например, цинковую пластинку Zn в раствор сульфата цинка ZnSO₄?

В растворе сульфата цинка уже присутствуют катионы цинка Zn²⁺. Таким образом, при погружении в него цинковой пластины возникнет избыточное количество этих катионов, и уже известное нам равновесие (см. выше) сместится влево. Все это приведет к тому, что отрицательный заряд на пластинке будет иметь меньшее значение, так как меньшее количество катионов с нее будет переходить в раствор. Как результат – более быстрое наступление равновесия и менее значительный скачок потенциала.

Потенциал металла в растворе его же соли в момент равновесия записывают так:

Металл, погруженный в раствор электролита, называют электродом, обратимым относительно катиона.

Цинк – достаточно активный металл. А если речь будет идти о медной пластинке Cu, погруженной в раствор, например, сульфата меди (II) CuSO₄?

Медь – металл малоактивный. Двойной электрический слой, конечно же, появится и в этом случае. Но! Катионы из пластинки в раствор переходить не будут. Наоборот, катионы меди (II) Cu²⁺из раствора соли начнут встраиваться в кристаллическую решетку пластинки и создавать положительный заряд на ее поверхности. Сюда же подойдут сульфат-анионы SO₄^2-и создадут вокруг нее отрицательный заряд. То есть распределение зарядов в данном случае будет совершенно противоположным, чем на цинковой пластинке.

Это общая закономерность: пластинки из малоактивных металлов при погружении в раствор их солей всегда заряжаются положительно.

Как устроен гальванический элемент Даниэля-Якоби, или Так где же все-таки электрический ток?

Известно, что электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (электронов).

На активном металле скапливаются электроны, а поверхность малоактивного металла, заряжается положительно. Если соединить проводником (например, металлической проволокой) оба металла, то электроны с одного перейдут на другой, а двойной электрический слой перестанет существовать. Это будет означать возникновение электрического тока.

Причем, ток возникает за счет окислительно-восстановительного процесса: активный металл окисляется (так как отдает электроны малоактивному), а малоактивный металл восстанавливается (так как принимает электроны от активного). Металлы друг с другом не соприкасаются, а взаимодействуют через посредника: внешнего проводника. Данная схема и есть схема гальванического элемента. Именно так устроен и работает гальванический элемент Даниэля-Якоби:

В схеме элемента показан «солевой мостик». Он представляет собой трубку, в которой присутствует электролит, не способный взаимодействовать ни с электродами (катодом или анодом), ни с электролитами в пространствах у электродов. Например, это может быть раствор сульфата натрия Na₂SO₄. Подобный мостик нужен для того, чтобы уравновешивать (нейтрализовать) заряды, образующиеся в растворах гальванического элемента.

Таким образом, возникшая электрическая цепь замыкается: анод → проводник с гальванометром → катод → раствор в катодном пространстве → «солевой мостик» → раствор в анодном пространстве → анод.

Анод – электрод, на котором происходит окисление (цинковая пластинка):

Электроны цинка Zn отправляются по внешней цепи (то есть по проводнику) на катод.

Катод – электрод, на котором происходит восстановление (медная пластинка):

Катионы меди Cu²⁺, пришедшие на пластинку из раствора сульфата меди (II), получают электроны цинкового анода.

В общем виде весь процесс окисления-восстановления в гальваническом элементе выглядит так:

Для любого гальванического элемента можно составить запись в виде схемы. Например, для приведенного элемента Даниэля-Якоби она будет выглядеть так:

Здесь:

1 – анод;

2 – катод;

3 – скачок потенциала (граница раздела фаз);

4 – электролит в анодном пространстве;

5 – электролит в катодном пространстве;

6 – граница между растворами (солевой мостик).

Или сокращенно:

Типовые задачи на схему гальванического элемента: примеры решения

По вопросу, рассмотренному в данной статье, возможны два основных вида задач.

Задача 1. Составьте схему гальванического элемента, в котором протекает реакция:

Решение:

Задача 2. Напишите электродные и суммарные уравнения реакций, протекающих в гальваническом элементе:

Решение:

Итак, разобрав принцип работы гальванического элемента, мы научились записывать схему его работы и определять основные процессы на электродах.

Чтобы самыми первыми узнавать о новых публикациях на сайте, присоединяйтесь к нашей группе ВКонтакте.

Источник

Гальванические элементы коррозия металлов

Задача 54.

а) Алюминиевый электрод погружен в раствор сульфата алюминия. Вычислить значение потенциала алюминиевого электрода.

Решение:

Электродный потенциал алюминия рассчитываем по уравнению Нериста:

По таблице 11.1 определяем стандартный электродный потенциал алюминия

Записываем уравнение электродного процесса, протекающего на поверхности алюминиевого электрода в растворе соли:

n — число электронов, участвующих в электродном процессе. Для данной реакции n равно заряду иона алюминия . Рассчитываем концентрацию ионов алюминия в растворе :

Разбавленный раствор — сильный электролит.

Следовательно, а = 1. По уравнению диссоциации :

число ионов , образующихся при диссоциации одной молекулы равно 2.

Следовательно,

Тогда моль/л.

Рассчитываем электродный потенциал алюминиевого электрода:

Ответ:

б) Потенциал цинкового электрода, погруженного в раствор своей соли, равен (-0,75В). Вычислить концентрацию ионов цинка в растворе.

Решение:

Электродный потенциал цинка определяется по уравнению Нернста:

Откуда:

По таблице 11.1 определяем стандартный электродный потенциал цинка

— равно заряду иона цинка .

Тогда:

Ответ: .

Задача 55.

Составить две схемы гальванических элементов (ГЭ), в одной из которых олово служило бы анодом, в другой — катодом. Для одной из них написать уравнения электродных процессов и суммарной токообразующей реакции. Вычислить значение стандартного напряжения ГЭ.

Решение:

В гальваническом элементе анодом является более активный металл с меньшим алгебраическим значением электродного потенциала, катодом — менее активный металл с большим алгебраическим значением электродного потенциала.

По таблице 11.1 находим .

а) Олово является анодом ГЭ.

В качестве катода можно выбрать любой металл с

Выбираем, например, медь . В паре — олово будет являться анодом ГЭ, медь — катодом. Составляем схему ГЭ:

или

Уравнения электродных процессов:

— суммарное ионно-моленкулярное уравнение токообразующей реакции

— суммарное молекулярное уравнение токообразующей реакции;

Рассчитываем стандартное напряжение ГЭ:

б) Олово является катодом ГЭ.

В качестве анода ГЭ можно выбрать любой металл с

— кроме щелочных и щелочноземельных металлов, так как они реагируют с водой.

Выбираем, например, магний

В паре — магний является анодом, олово — катодом. Составляем схему ГЭ:

или

Задача 56.

Составить схему коррозионного гальванического элемента, возникающего при контакте железа с цинком в:

а) атмосферных условиях ;

б) кислой среде ;

в) кислой среде в присутствии кислорода .

Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии.

Решение:

По таблице 11.1 находим значение стандартных электродных потенциалов железа и цинка:

Так как то анодом коррозионного гальванического элемента будет являться цинк, катодом — железо.

а) Коррозия в атмосферных условиях .

Составляем схему коррозионного ГЭ:

Составляем уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии:

— суммарное молекулярное уравнение процесса коррозии.

б) Коррозия в кислой среде

Составляем схему коррозионного ГЭ:

Составляем уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии:

— суммарное ионно-молекулярное уравнение процесса коррозии;

— суммарное молекулярное уравнение процесса коррозии.

в) Коррозия в кислой среде в присутствии кислорода .

Составляем схему коррозионного ГЭ:

Составляем уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии:

— суммарное ионно-молекулярное уравнение процесса коррозии

— суммарное молекулярное уравнение процесса коррозии.

Во всех случаях коррозионному разрушению будет подвергаться более активный металл — цинк.

Задача 57.

Составить схему гальванического элемента (ГЭ), образованного цинковым электродом, погруженным в 1М раствор хлорида цинка, и хромовым электродом, погруженным в раствор хлорида хрома (III). Рассчитать напряжение ГЭ, написать уравнения электродных процессов и суммарной токообразующей реакции.

Решение:

Для составления схемы ГЭ необходимо знать величины электродных потенциалов металлов — цинка и хрома.

По таблице 11.1 определяем стандартные электродные потенциалы металлов:

Хлорид цинка диссоциирует по уравнению:

— сильный электролит), , поскольку условия стандартные .

Хлорид хрома (III) диссоциирует по уравнению:

— сильный электролит), , поскольку условия отличны от стандартных, рассчитываем электродный потенциал хрома:

Так как , то в ГЭ анодом будет являться хром, катодом — цинк.

Составляем схему ГЭ:

Составляем уравнения электродных процессов и суммарной токообразующей реакции:

— суммарное ионно-молекулярное уравнение токообразующей реакции

— суммарное молекулярное уравнение токообразующей реакции.

Рассчитываем напряжение ГЭ:

Ответ: = 0,04В.

Задача 58.

Составить схему ГЭ, в котором протекает химическая реакция . Написать уравнения электродных процессов. На основании стандартных значений энергий Гиббса образования ионов , рассчитать стандартное напряжение ГЭ и константу равновесия реакции при 298К.

Решение:

На основании реакции, приведенной в условии задачи, составляем уравнения электродных процессов:

Анодом ГЭ является электрод, на котором происходит процесс окисления. Катодом — электрод, иа котором происходит процесс восстановления. Тогда в рассматриваемом ГЭ анодом будет являться железо, катодом — никель.

Составляем схему ГЭ:

Рассчитываем стандартное напряжение ГЭ:

Рассчитываем константу равновесия токообразующей реакции ().

Ответ: .

Задача 59.

Составить схему коррозионного ГЭ, возникающего при контакте железной пластинки площадью 20 с никелевой в растворе соляной кислоты НС1. Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции процесса коррозии.

а) Вычислить объемный и весовой показатели коррозии, если за 40 минут в процессе коррозии выделилось 0,5 газа (н.у.).

б) Вычислить весовой и глубинный показатели коррозии, если за 120 минут потеря массы железной пластинки составила г. Плотность железа равна 7,9 г/.