Занятие №6 Тема: «Окислительно–восстановительные взаимодействия. Гальванические элементы. Определение окислительно-восстановительных потенциалов».

 

1. Актуальность темы:

Живой организм является не только системой, в которой возникает биоэлектричество, но и пассивным проводником электрического тока, возникающего в организме или приложенного извне. В организме происходит ряд окислительно-восстановительных реакций, которые при соответствующих условиях могут служить источником э.д.с. Многие вещества, находясь в виде ионов, перераспределяются и транспортируются в виде зарядов, что служит причиной возникновения биоэлектрических потенциалов. Окислительно-восстановительные реакции позволяют координировать на уровне организма функции органов, тканей, клеток и субклеточных структур. Возможно их применение для диагностики и лечения заболеваний. Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе методов оксидиметрии (перманганатометрия, йодометрия), которые применяют в клиническом анализе для определения, например, содержания мочевой кислоты в моче, кальция в сыворотке крови и т.д.

 

2. Цель обучения:

Знать классификацию электродов и их устройство, устройство и принцип действия гальванических элементов, механизмы возникновения электродных, окислительно-восстановительных, диффузионных и мембранных потенциалов. Уметь составлять схемы гальванических элементов, прогнозировать направление протекания окислительно-восстановительных реакций, рассчитывать окислительно-восстановительные потенциалы, рассчитывать ЭДС гальванического элемента.

 

3. Вопросы для обсуждения:

1. Понятие об окислительно-восстановительных процессах. Окислители и восстановители.

2. Электродные потенциалы, механизмы их возникновения. Формула Нернста для расчета величины электродного потенциала.

3. Виды электродов. Нормальный (стандартный) электродный потенциал.

4. Гальванические элементы, их классификация. Устройство и принцип работы биметаллических и концентрационных элементов.

5. Понятие об ЭДC гальванических элементов. Уравнение Нернста.

6. Виды биологических потенциалов, механизмы их возникновения:

a) диффузный; б) мембранный (потенциал покоя и повреждения); в) потенциал течения; г) окислительно-восстановительный (редокс-потенциал).

7. Взаимосвязь между ЭДС, K_р, ∆G. Направленность окислительно-восстановительных реакций.

8. Значение окислительно-восстановительных потенциалов в механизмах процессов биологического окисления.

9. Методы оксидиметрии: перманганатометрия и йодометрия, их применение в лабораторно-клиническом анализе.

4. Ситуационные задачи:

№ задачи	Текст задания:
1.	Вычислить потенциал оловянной пластинки, опущенной в раствор соли олова с концентрацией 0,001моль/л.
2.	Рассчитать э.д.с. гальванического элемента в стандартных условиях: (-) Zn ï Zn(NO3)2 (0,1 М) ïï Pb (NO3)2 (1М) ï Pb (+)
3.	Рассчитать ЭДС гальванического элемента: Сu ï Cu(NO3)2 (0,1 М) ïï Cu (NO3)2 (1 M) ï Cu
4.	В каком направлении возможно самопроизвольное протекание реакции Na 2 SO 4 + MnO 2 + KOH " Na 2 SO 3 + KMnO 4 + H 2 O в стандартных условиях, если ,

№ задачи	Эталоны ответов:
1.	Электрод первого рода, схема записи Sn2+|Sn, уравнение электродной реакции: Sn2+ + 2e ↔ Sn Уравнение Нернста для электрода:
2.	1 способ решения:                               Zn – 2ē " Zn+2   eo = -0,76 B окисление, анод                               Pb+2 + 2ē " Pb   eo = -0,13 B восстановление, катод Суммарное уравнение: Zn + Pb+2 " Zn+2 + Pb              , где Ео = ео катода – ео анода      Eо = eо (Pb+2/Pb) – eо (Zn+2/Zn) = - 0,13 – (-0,76) = +0,63 B 2 способ решения:        Рассчитываем значение электродного потенциала для каждого элемента отдельно: Катод: Анод:   Е0 = е0катода – е0анода = -0,13 – (-0,79) = 0,66 В.
3.	Cu - 2ē " Cu +2     eo = 0,34 B окисление, анод Cu +2 + 2ē " Cu    eo = 0,34 B восстановление, катод Суммарная реакция: Cu + Cu +2 (1 M) " Cu +2 (0,1 M) + Cu E = Eо - , где  Ео = ео катода – ео анода = 0,34 – 0,34 = 0 В E = = 0,0295 ´ lg , E = 0,0295 ´ lg10 = 0,0295 B
4.	3Na2SO4 + 2MnO2 + 2KOH " 3Na2SO3 +  2KMnO4 + H2O S +6 +2ē " S +4    6 3         восстановление, катод, eo = -0,93 B Mn +4 -3ē " Mn +7   2         окисление, анод, eo = 0,6 B Ео = ео катода – ео анода = -0,93 – 0,6 = -1,53 В Eo< 0 Þ DG > 0 Данная реакция самопроизвольно протекает в обратном направлении.

                             

5.      Выполнить тестовые задания (письменно):

4.		Что называется электродным потенциалом?
	А	разница электрических потенциалов в растворе электролита
	В	скачок потенциала на границе раствор-газ
	С	скачок потенциала на границе металл-раствор электролита
	D	потенциал электрода при условии, что активности компонентов, участвующих в электродной реакции равны единице
5.		Положение металла в электрохимическом ряду напряжений характеризует…
	А	восстановительную способность металла и окислительную способность его ионов при любых условиях
	В	каталитическую активность металла при любых условиях
	С	только восстановительную активность металла при любых условиях
	D	только окислительную активность ионов металла в водных растворах при стандартных условиях
6.		Какой процесс происходит по схеме S-2 ® S+6 и сколько электронов принимают в нем участие?
	А	восстановление, 8 электронов
	В	окисление, 6 электронов
	С	окисление, 8 электронов
	D	восстановление, 6 электронов
4.		Газовый электрод (инертный металл, насыщенный газом и погруженный в раствор, содержащий ионы газообразного вещества) принадлежит к электродам:
	А	I – рода
	В	II – рода
	С	окислительно-восстановительным
	D	ионоселективным
5.		В качестве стандартного электрода для измерения электродных потенциалов используется:
	А	каломельный электрод
	В	водородный электрод
	С	хингидронный электрод
	D	стеклянный электрод
6.		Для расчета величины электродного потенциала при 298 К пользуются уравнением:
	А	Е = Е0 + 0,059 lg a Men+
	В	Е =  lg a Men+
	С	Е = Е0 +  lg a Men+
	D	Е = Е0 +  lg
7.		В схемах гальванических элементов двумя вертикальными чертами условно обозначается…
	А	внутренняя цепь элемента
	В	граница электрода
	С	двойной электрический слой
	D	солевой мостик
8.		Окислительно-восстановительные электроды – электроды...
	А	на которых протекает ОВР реакция
	В	состоящие из металла, который не принимает участие в электродной реакции, а только переносит электроны от восстановителя к окислителю
	С	состоящие из металла, покрытого слоем его труднорастворимой соли и погруженного в раствор, содержащей анионы этой соли
	D	состоящие из металла, погруженного в раствор собственной соли
9.		Стандартный электрод (водородный) работает при условии:
	А	a H+ = 1; P(Н2) = 101,3 кПа; Е H2 / 2H+ = 0
	В	a H+ = 0,1; P(Н2) = 101300 Па; Е H2 / 2H+ = 0
	С	a H+ = 1; P(Н2) = 1 атмосфера; Е H2 / 2H+ = 0
	D	T = 298 K; P(Н2) = 101,3 кПа; Е H2 / 2H+ = 0
10.		Мембранный потенциал клетки преимущественно определяется соотношением концентраций…
	А	ионов Са2+ и Mg2+
	В	фруктозы и глюкозы
	С	ионов К+ и Na+
	D	кислорода и углекислого газа
11.		Электроды первого рода:
	А	медный электрод в растворе сульфата цинка
	В	серебряный электрод в растворе нитрата серебра
	С	цинковый электрод в растворе сульфата меди
	D	серебряный электрод в растворе хлорида серебра
12.		При механическом повреждении клеточных мембран возникает потенциал:
	А	диффузионный
	В	окислительно-восстановительный
	С	мембранный
	D	термодинамический
13.		Данная формула – используется для расчета электродного потенциала…
	А	каломельного электрода
	В	хлорсеребряного электрода
	С	водородного электрода
	D	стеклянного электрода
14.		С помощью данной формулы –  можно рассчитать …
	А	тепловой эффект процесса
	В	порядок реакции
	С	рН среды
	D	буферную ёмкость
15.		Что такое гальванические элементы?
	А	приспособления для превращения тепловой энергии в работу
	В	устройства для превращения химической энергии в электрическую
	С	установки для превращения электрической энергии в химическую
16.		На аноде гальванического элемента происходит процесс:
	А	окисление
	В	присоединение электронов
	С	восстановление
17.		Для экспериментального измерения э.д.с. гальванических элементов используют метод:
	А	рефрактометрии
	В	потенциометрии
	С	калориметрии
18.		В основе работы цинк-никелевого гальванического элемента лежит реакция:
	А	Ni2+ + Zn ↔ Ni + Zn2+
	В	Ni + Zn2+↔ Ni2++Zn
	С	Zn2+- 2e-↔ Zn
	D	Ni2+- 2e-↔ Ni
19.		В основе работы элемента Якоби-Даниэля лежит реакция:
	А	Cu2+ + Fe→ Fe2+ + Cu
	В	Cu2+ + Zn→ Zn2+ + Cu
	С	Cd2+ + Zn→ Zn2+ + Cd
	D	Ni + Zn2+↔ Ni2++Zn
20.		Если в ротовой полости находятся протезы, сделанные из золота и железа, то происходит…
	А	окисление золота
	В	окисление железа
	С	растворение обоих металлов
	D	растворение золота

6. Задачи для самостоятельного решения (выполнить письменно):

1. Уравнять окислительно-восстановительную реакцию методом электронного баланса, определить окислитель и восстановитель:

FeS₂ + Н N О ₃ = Fe₂(SO₄)₃ + N О + Н ₂ SO₄ + H₂O

 

2. Рассчитать электродный потенциал серебряного электрода в 0,01 M растворе AgNO₃. е^о(Ag⁺/Ag) = 0,799 B.

 

 

3. Определите ЭДС гальванического элемента Al/Al³⁺ // Cu²⁺/Cu,

если С (Al³⁺) = 10ˉ³ моль/л, е^o (Al³⁺/Al) = –1,66 B

C (Cu²⁺) = 10ˉ² моль/л, е^o (Cu²⁺/Cu) = 0,337 B

 

4. Возможно ли самопроизвольное протекание окислительно-восстановительной реакции при стандартных условиях:

K₂Cr₂O₇ + К I + H₂SO₄ → Cr₂(SO₄)₂ + I₂ + K₂SO₄ + H₂O

е^o (Cr₂O₇²ˉ/2Cr³⁺) = 1,33 B; е^o (I₂ /2 Iˉ) = 0,54 B

 

 

5. Рассчитать ЭДС концентрационного гальванического элемента, состоящего из медных электродов, опущенных в растворы Cu(NO₃)₂ с соответствующей концентрацией электролита С₁ = 0,01 М и С₂ = 0,1 М? Записать схему электрохимической цепи (гальванического элемента).