Пример 4

Рассчитать ЭДС концентрационного гальванического элемента, в котором один медный электрод находится в 0,0001-молярном растворе соли меди, другой такой же электрод в 0,01-молярном растворе соли.

Решение.

Если медные электроды опущены в раствор сульфата меди разной концентрации, то, поскольку значение электродного потенциала металла зависит от концентрации раствора соли, возникает разность потенциалов и появляется электродвижущая сила. Такой гальванический элемент работает за счет выравнивания концентрации соли и называется концентрационным.

Чтобы рассчитать ЭДС элемента, найдем значения электродных потенциалов меди в растворах разной концентрации:

E_Cu = E⁰_Cu + lg [Cu²⁺ × mH₂O],

 

E¹_Cu = 0,34 + lg 0,0001 = 0,34 - 0,118 = 0,222 В,

E²_Cu = 0,34 + lg 0,01 = 0,34 - 0,059 = 0,281 В,

 

E¹_Cu < E²_Cu.

 

Медный электрод в 0,0001-молярном растворе соли будет анодом и на нем идет процесс окисления, а в 0,01-молярном растворе – катодом, на нем идет процесс восстановления:

 

на аноде (-) Cu⁰ – 2 = Cu²⁺ – окисление,

на катоде (+) Cu²⁺ + 2 = Cu⁰ – восстановление.

 

ЭДС = E_К - E_А = E²_Cu - E¹_Cu = 0,281 - 0,222 = 0,059 В.

 

Задания

 

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) CuSO₄; б) MgSO₄ в) Pb(NO₃)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.

244. Увеличится, уменьшится или останется без изменения масса кадмиевой пластинки при взаимодействии её с растворами: a) AgNО₃; б) ZnSO₄; в) NiSO₄. Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

245. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал –1,23 В. Вычислите концентрацию ионов Мn²⁺ в моль/л. Ответ: 1,89×10^–2 моль/л.

246. Потенциал серебряного электрода в растворе AgNO₃ составил 95 % от величины его стандартного электродного потенциала. Чему равна концентрация ионов Ag⁺ в моль/л. Ответ: 0,20 моль/л.

247. Никелевый и кобальтовый электроды опущены соответственно в растворы Ni(NO₃)₂ и Со(NO₃)₂. В каком соотношении должна быть концентрация ионов этих металлов, чтобы потенциалы обоих электродов были одинаковыми?
Ответ: [Ni²⁺]: [Co²⁺]» 0,117.

248. 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.

249. При какой концентрации ионов Сu²⁺ в моль/л значение потенциала медного электрода становится равным стандартному потенциалу водородного элемента? Ответ: 1,89×10^–12 моль/л.

250. Какой гальванический элемент называется концентрационным? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, состоящего из серебряных электродов, опущенных первый в 0,01 н., а второй – в 0,1н. растворы AgNO₃. Ответ: 0,058 В.

251. При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001 М растворе, а другой такой же электрод – в 0,01 М растворе сульфата никеля. Ответ: 0,029 В.

252. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластин, опущенных в растворы своих солей. Напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемент при концентрации ионов [Pb²⁺] = [Mg²⁺] = 0,0l моль/л в растворе. Изменится ли э.д.с. этого элемента, если концентрацию каждого из ионов увеличить в одинаковое число раз? Ответ: 2,244 В.

253. 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.

254. 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.

255. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин кадмия и магния, опущенных в растворы своих солей. Напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите э.д.с. гальванического элемента если концентрация ионов в растворе [Мg²⁺] = [Cd²⁺] = 1 моль/л. Изменится ли величина э.д.с., если концентрацию каждого из ионов понизить до 0,01 моль/л. Ответ: 1,967 В.

256. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин цинка и железа, погруженных в растворы их солей. Напишите электронные уравнения процессов, протекающих на аноде и на катоде. Какой должна быть концентрация ионов железа (в моль/л), чтобы э.д.с. элемента стала равной нулю, при концентрации ионов [Zn²⁺] = 0,001 моль/л? Ответ: 7,3×10^–15 моль/л.

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

 

Ni + Pb (NO₃)₂ = Ni (NO₃)₂ + Pb.

 

Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов. Вычислите э.д.с. элемента, если [Ni²⁺] = 0,01 моль/л, [Pb²⁺] = 0,0001моль/л. Ответ: 0.066 В.

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

259. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке щелочного кадмий-никелевого аккумулятора?

260. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке щелочного железо-никелевого аккумулятора?

 

Электролиз