Гальванические элементы. Электролиз.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ №3

Растворы электролитов

В задачах 839−844 рассчитайте значение рН миллимолярного раствора слабой кислоты (константа диссоциации K _а) до и после добавления к нему равного объема раствора соли с молярной концентрацией С (степень диссоциации соли равна 1).

№	Кислота	K а	Соль	С, моль/л
	СН3СООН	1,8∙10−5	СН3СООK	0,100
	HNO2	5,1∙10−4	NaNO2	0,002
	НСООН	1,8∙10−4	НСООNa	0,500
	HClO	2,8∙10−8	KClO	0,001
	HCN	4,9∙10−10	LiCN	0,005
	HF	6,6·10−4	NaF	0,010

В задачах 845−852 рассчитайте значение рН раствора, полученного из миллимолярного раствора сильной кислоты (объем V ₁) и децимолярного раствора сильного основания (объем V ₂). Коэффициенты активности ионов равны 1.

№	Кислота	V 1, мл	Основание	V 2, мл
	HNO3		NaOH
	HCl		Ba(OH)2
	HBr		KOH
	ClCH2COOH		CsOH
	HCl		LiOH	0,5
	HNO3		Ba(OH)2	1,5
	HBr		NaOH
	ClCH2COOH		KOH

В задачах 853−858 рассчитайте молярную концентрацию слабого электролита в водном растворе используя значения константы диссоциации K _д и рН раствора.

№	Электролит	K д	рН	№	Электролит	K д	рН
	СН3СООН	1,8∙10−5	5,5		HClO	2,8∙10−8	6,0
	NH4OH	1,7∙10−5	9,5		HCN	4,9∙10−10	5,0
	HNO2	5,1∙10−4	3,5		NH4OH	1,7∙10−5	11,0

В задачах 859−866 рассчитайте количество вещества сильного электролита, содержащееся в 500 мл водного раствора, если известны степень диссоциации электролита (0,9) и рН раствора. Коэффициенты активности ионов принять равными 1.

№	Электролит	рН	№	Электролит	рН
	HNO3	2,0		NaOH	11,5
	HCl	4,5		KOH	10,0
	HBr	3,0		Ba(OH)2	13,0
	HNO3	4,2		KOH	12,5

В задачах 867−874 рассчитайте значение произведения растворимости ПР вещества по известным значениям растворимости (S) в насыщенном водном растворе.

№	Вещество	S, г/л	№	Вещество	S, г/л
	Fe(OH)3	1,81∙10−9		Mg(OH)2	6,44∙10−3
	Ag2CO3	3,20∙10−9		Ag2SO4	8,36
	PbI2	6,22∙10−1		Zn(OH)2	1,46∙10−4
	CaF2	1,68∙10−2		CaCO3	6,93∙10−3

 

В задачах 875−882 рассчитайте значение рН насыщенного водного раствора малорастворимого гидроксида, используя значение произведения растворимости ПР.

№	Гидроксид	ПР	№	Гидроксид	ПР
	Mg(OH)2	5,5·10−12		Cr(OH)3	6,7·10−31
	Fe(ОН)3	3,8·10−38		Pb(OH)2	1,0·10−15
	Al(OH)3	5,1·10−33		Zn(OH)2	1,3·10−17
	Cu(OH)2	5,0·10−19		Bi(OH)3	3,0·10−32

 

В задачах 883−889. докажите с помощью расчетов, будет ли образовываться осадок малорастворимой соли, если к раствору вещества А (объем V ₁, концентрация С ₁) добавить раствор вещества В (объем V ₂, концентрация С ₂). Степень диссоциации веществ А и В принять равной 1.

№	Соль	ПР	Вещество А	V 1, мл	С 1, моль/л	Вещество В	V 2, мл	С 2, моль/л
	BaSO4	1,1·10−10	BaCl2		0,020	Na2SO4		0,100
	AgCl	1,6·10−10	AgNO3		0,001	СаСl2		0,010
	SrSO4	3,2·10−7	Sr(NO3)2		0,001	Na2SO4		0,005
	PbI2	9,8 ·10−9	Pb(NO3)2		0,040	KI		0,001
	Ag2CO3	8,7·10−12	AgNO3		0,002	Na2CO3		0,010
	PbSO4	1,6·10−8	Pb(NO3)2		0,010	K2SO4		0,010
	ZnS	7,4·10−27	ZnCl2		0,005	Na2S		0,001

 

В задачах 896−907 напишите уравнения гидролиза соли в молекулярной и ионно-молекулярной формах. Рассчитайте константу и степень гидролиза соли по первой ступени, если известны молярная концентрация соли С и значения констант диссоциации K _ai или K _bi продукта полного гидролиза.

№	Соль	С, моль/л	Продукт полного гидролиза
формула	значение K a(b)i
	K2SO3	0,005	Н2SO3	K аI = 1,7·10−2 K аII = 6,3·10−8
	NH4NO3	0,001	NH4OH	K b= 1,7∙10−5
	Na2S	0,004	Н2S	K аI = 5,7·10−8 K аII =1,2·10 −15
	ZnCl2	0,002	Zn(OH)2	K bI = 4,4·10 −5 K bII = 1,5·10 −9
	СН3СООK	0,100	СН3СООH	K а= 1,8∙10−5
	Pb(NO3)2	0,060	Pb(OH)2	K bI = 9,6·10 −4 K bII = 3,0·10 −8
	K2SiO3	0,001	H2SiO3	K аI = 2,2·10 −10 K аII = 1,6·10 −12
	K2СО3	0,001	Н2CO3	K аI = 4,3·10 −7 K аII = 5,6·10 −11
	NaCN	0,020	HCN	K а= 4,9 ·10 −10
	NH4Сl	0,010	NH4OH	K b= 1,7∙10−5
	KNO2	0,001	HNO2	K а = 5,1∙10−4
	KНСО3	0,050	Н2CO3	K аI = 4,3·10 −7 K аII= 5,6·10 −11

 

Гальванические элементы. Электролиз.

В задачах 1−12 рассчитайте потенциал электрода, состоящего из металла М погруженного в насыщенный водный раствор его малорастворимого соединения МА_n с известным значением ПР при стандартной температуре.

№	М	МАn	ПР(МАn)	№	М	МАn	ПР(МАn)
	Ni	Ni(OH)2	1,6·10−16		Co	Co(OH)2	1,6·10−15
	Zn	Zn(OH)2	1,4·10−17		Pb	PbSO4	1,6·10−8
	Cu	CuCO3	2,5·10−10		Cd	Cd(CN)2	1,1·10−8
	Sn	Sn(OH)2	6,3·10−27		Cu	Cu(OH)2	8,3·10−20
	Fe	Fe(OH)3	6,3·10−38		Ag	Ag2SO4	1,6·10−5
	Pb	PbCl2	1,6·10−5		Cr	Cr(OH)3	6,3·10−31

 

В задачах 13−22 составьте уравнения токообразующей реакции в ионно-молекулярной форме по приведенным данным (уравнениям полуреакций восстановления и значениям их стандартных потенциалов). Рассчитайте значение изменения энергии Гиббса D _rG ⁰₂₉₈ .

№	Полуреакции	φ0Оф/Вф, B
	MnO2 + 4H+ + 2ē D Mn2+ + 2H2O MnO4¯ + 4H+ + 3ē D MnO2 + 2H2O	+ 1,228 + 1,692
	ClO3¯ + 3H2O + 6ē D Cl¯ + 6OH¯ MnO42− + 4H2О + 4ē D Mn2+ + 8OН¯	+ 0,630 + 0,710
	NO2¯ + 5H2О + 6ē D NH3 + 7OН¯ [Al(OH)4]¯ + 3ē D Al + 4OH¯	+ 0,153 − 2,236
	MnO2 + 4H+ + 2ē D Mn2+ + 2H2O NO3¯ + 10H+ + 8ē D NH4+ + 3Н2О	+ 1,228 + 0,870
	Cl2 + 2ē → 2Cl¯ 2ClO3¯ + 12H+ + 10ē → Cl2 + 6Н2О	+ 1,359 + 1,471
	Cr2O72¯ + 14H+ + 6ē D 2Cr3+ + 7H2O H2O2 + 2H+ + 2ē D 2Н2О	+1,331 + 1,770
	2ClO¯ + 2H2O + 2ē D Cl2 + 4OH¯ BrO3¯ + 2Н2О + 4ē D BrO¯ + 4OH¯	+ 0,405 + 0,540
	2NO2¯ + 4H2O + 6ē D N2 + 8OH¯ MnO42¯ + 2H2O + 2ē D MnO2 + 4OH¯	+ 0,411 + 0,579
	NO3¯ + H2O + ē D NО2 + 2OH¯ PbO + H2O + 2ē D Pb↓ + 2OH¯	− 0,859 − 0,579
	S + 2Н+ + 2е D Н2S SO32- + 6Н+ + 6е D S + 3H2O	+ 0,140 + 0,450

 

В задачах 23−32 по приведенному уравнению токообразующей реакции, протекающей в гальваническом элементе, напишите уравнения анодного и катодного процессов. Рассчитайте значение стандартной константы равновесия данной токообразующей реакции, если известны значения стандартных потенциалов φ⁰_Оф/Вф (1) и φ⁰_Оф/Вф (2) электродных процессов.

№	Токообразующая реакция	φ0Оф/Вф (1), B	φ0Оф/Вф (2), B
	10Со3+ + Br2 + 6H2O D 10Со2+ + 2BrO3¯ + 12H+	+ 1,950	+ 1,522
	Zn2+ + H2 + 2OH¯ D Zn + 2Н2О	− 0,760	− 0,831
	PbO2 + 2Cl¯+ 4H+ D Pb2+ + Cl2 + 2Н2О	+ 1,360	+1,461
	2NO2¯ + 2I¯ + 4H+ D 2NO + I2 + 2H2O	+ 1,002	+ 0,540
	2MnO4¯ + 5H2S + 6H+ D 2Mn2+ + 5S + 8Н2О	+ 1,518	+ 0,171
	Cr2O72¯ + 3SO2 + 2H+ D 2Cr3+ + 3SO42− + H2O	+ 1,332	+ 0,170
	3Cl2 + I− + 3H2O D 6Cl− + IO3− + 6H+	+ 1,358	+ 1,090
	2HNO2 + 2Br− + 2H+ D Br2 + 2NO + 2H2O	+ 0,981	+ 1,087
	2MnO4− + 5HNO2 + H+ D 2Mn2+ + 5NO3− + 3H2O	+ 0,940	+ 1,510
	2IO3− + 5MnO2 + 8OH− D 5MnO42− + I2 + 4H2O	+ 0,211	+ 0,580

 

В задачах 33−44 д ля приведенного гальванического элемента напишите уравнения анодного и катодного процессов и токообразующей реакции. По термодинамическим данным (см. Приложение), рассчитайте стандартное значение ЭДС.

№	Схема гальванического элемента	№	Схема гальванического элемента
	(−) Zn | Zn2+ || Ag+ | Ag (+)		(−) Fe | Fe2+ || Pb2+ | Pb (+)
	(−) Pt, H2| H+ || Sn2+, Sn4+| Pt (+)		(−) Pt, H2| H+ || Co2+, Co3+| Pt (+)
	(−) Al | Al3+ || Cu2+ | Cu (+)		(−) Cd | Cd2+ || Sn2+ | Sn (+)
	(−) Zn | Zn2+ || Ag+ | Ag (+)		(−) Mg | Mg2+ || Fe2+ | Fe (+)
	(−) Pt, H2| H+ || Fe2+, Fe3+| Pt (+)		(−) Mn | Mn2+ || Ag+ | Ag (+)
	(−) Ni | NI2+ || Cu2+ | Cu (+)		(−) Pt, H2| H+ || Cr2+, Cr3+| Pt (+)

 

В задачах 45−54 изобразите схему гальванического элемента, состоящего из двух стандартных электродов 1 и 2. Напишите уравнения электродных процессов и уравнение токообразующей реакции. По значениям стандартных электродных потенциалов рассчитайте изменение стандартной энергии Гиббса Δ _rG ⁰₂₉₈ токообразующей реакции.

№	Электрод	№	Электрод
1	2	1	2
	Cu2+ | Cu	Fe2+ | Fe		Ni2+ | Ni	Au3+ | Au
	Zn2+ | Zn	Pb2+ | Pb		Mg2+ | Mg	Cu2+ | Cu
	Ag+ | Ag	Cd2+ | Cd		Fe2+ | Fe	Zn2+ | Zn
	Mn2+ | Mn	Cu2+ | Cu		Sn2+ | Sn	Ag+ | Ag
	Co2+ | Co	Sn2+ | Sn		Ni2+ | Ni	Pb2+ | Pb

В задачах 55−64 напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции электролиза водного раствора указанного вещества. Какие вещества и в каком количестве (г или л при н.у.) выделятся на электродах за время τ при силе тока I и равными катодном и анодном коэффициентами выхода по току η.

№	Вещество	τ, ч	I, A	η, %	№	Вещество	τ, ч	I, A	η, %
	CuSO4	2,1				AlCl3	4,2
	NaCl	0,8				AgNO3	8,5
	Pb(NO3)2	3,6				MgBr2	1,6
	KOH	1,8				HgCl2	2,5
	SnSO4	6,3				K2S	3,7

В задачах 65−74 напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции электролиза водного раствора указанного вещества. Сколько времени потребуется для выделения указанного объема газа (н.у.) при силе тока I и равными анодном и катодном коэффициентами выхода по току η?

№	Вещество	I, A	V, л	η, %	№	Вещество	I, A	V, л	η, %
	HgCl2		2,4			AgNO3		0,8
	Cu(NO3)2		1,8			SnCl2		3,4
	KI		0,6			PbF2		2,8
	SnSO4		3,7			CuSO4		1,7
	Na2S		4,0			NaBr		4,2

В задачах 75−84 определите металл, выделяющийся на катоде при электролизе водного раствора его нитрата, если известны масса выделившегося металла m, сила тока I, время протекания процесса τ и катодный коэффициент выхода по току η. Напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции электролиза.

№	m, г	I, A	τ, ч	η, %	№	m, г	I, A	τ, ч	η, %
	16,1					105,0
	7,3					61,1
	67,6					63,7
	128,2					170,5
	89,1					78,6

 

Коррозия металлов.

В задачах 1001–1010 определите термодинамическую возможность окисления металла кислородом при стандартных условиях. Рассчитайте значение парциального давления кислорода, ниже которого невозможно окисление данного металла. Приведите уравнение соответствующей реакции.

№	Металл	Продукт окисления	№	Металл М	Продукт окисления
	Ni	NiO		Mg	MgO
	Fe	Fe2O3		Со	СоО
	Ag	Ag2O		Al	Al2O3
	Cu	CuO		Sn	SnO
	Cr	Cr2O3		Pb	PbO

В задачах 1011–1022 расчетами стандартных ЭДС коррозионного элемента и энергии Гиббса Δ_rG⁰₂₉₈ коррозионного процесса подтвердите возможность электрохимической коррозии при Т = 298 К изделия из данного металла в аэрированном растворе с указанными значениями рН и активности ионов металла а _M^Z+.

№	Металл	рН	а MZ+·104, моль/л	№	Металл	рН	а MZ+·104, моль/л
	Mg	6,0			Sn	7,0
	Zn	8,0			Pb	6,0
	Ag	3,0			Cu	3,0
	Fe	4,0			Cd	5,0
	Al	8,0			Co	5,0
	Ni	6,0			Mn	6,0

В задачах 1023–1034 напишите уравнения электродных процессов и суммарной реакции, происходящих при электрохимической коррозии, если два контактируюшие металла (М ₁ и М ₂) находятся при 298 К в аэрированном растворе с указанными значениями рН и активности ионов корродирующего металла а _M^Z+. Рассчитайте значения ЭДС коррозионного элемента и изменение энергии Гиббса Δ_rG⁰₂₉₈ коррозионного процесса.

№	М 1	М 2	рН	а MZ+·104, моль/л	№	М 1	М 2	рН	а MZ+·104, моль/л
	Al	Fe	8,0			Ag	Ni	5,0
	Zn	Cd	9,0			Pb	Al	7,0
	Fe	Zn	6,0			Fe	Pb	7,0
	Sn	Mg	7,0			Cd	Mg	5,0
	Ni	Ag	5,0			Cu	Ag	4,0
	Cu	Sn	4,0			Sn	Zn	9,0