V. Примеры выполнения заданий по разделу химические источники электрической энергии

Пример 1. Рассчитать электродный потенциал алюминиевого электрода при концентрации ионов Al³⁺ равной 0,01мол/л и температуре 25⁰С.

Решение. При температуре электрода 25⁰С (298⁰К) зависимость электродного потенциала от концентрации электролита запишется уравнением е = е⁰ + 0.059 · Lg [Меⁿ⁺ ] / n

Стандартный электродный потенциал алюминиевого электрода (см. таблицу) равна –1,66(В).

Отсюда

е_Al/Al³⁺ = (–1,66) + 0,059· Lg 0,01 / 3 = –1,70(В)

Пример 2. Составить электрохимические схемы двух гальванических элементов. В первом элементе свинцовый электрод является анодом, а во втором элементе свинцовый электрод является катодом. Рассчитать Э.Д.С. элементов в стандартных условиях.

Решение. В электрохимических процессах анодом называется электрод на котором протекает процесс окисления (более низкое значение электродного потенциала).

Стандартный электродный потенциал свинцового электрода (см. таблицу) равна –0,13(В).

Катодом может быть электрод у которого более высокое значение электродного потенциала. Выбираем медный электрод для которого стандартный электродный потенциал равен +0,34(В)

Электрохимическая схема первого гальванического элемента

А (–) Pb | Pb²⁺ || Cu²⁺| Cu (+) K

Э.Д.С. в стандартных условиях

Е⁰ = (+0,34) – (–0,13) = 0,37(В)

В электрохимических процессах катодом называется электрод на котором протекает процесс восстановления (более высокое значение электродного потенциала).

Стандартный электродный потенциал свинцового электрода (см. таблицу) равна –0,13(В).

Анодом может быть электрод у которого более низкое значение электродного потенциала. Выбираем цинковый электрод для которого стандартный электродный потенциал равен +0,76(В)

Электрохимическая схема первого гальванического элемента

А (–) Zn | Zn²⁺ || Pb | Pb²⁺ (+) K

Э.Д.С. в стандартных условиях

Е⁰ = (–0,13) – (–0,76) = 0,63 (В)

Пример 3. Составить электрохимическую схему свинцового концентрационного гальванического элемента, если у одного электрода концентрация ионов Pb²⁺ равна 10^-1 мол/л, а у второго электрода концентрация ионов Pb²⁺ равна 10^-3 мол/л. Рассчитать Э.Д.С. элемента.

Решение. При температуре электрода 25⁰С (298⁰К) зависимость электродного потенциала от концентрации электролита запишется уравнением е = е⁰ + 0.059 · Lg [Меⁿ⁺ ] / n

Стандартный электродный потенциал свинцового электрода (см. таблицу) равна –0,13(В).

Первый электрод: е_Pb/Pb²⁺ = (–0,13) + 0,059· Lg 10^-1 / 2 = –0,16(В)

Второй электрод: е_Pb/Pb²⁺ = (–0,13) + 0,059· Lg 10^-3 / 2 = –0,22(В)

Электрохимическая схема свинцового концентрационного гальванического элемента

А (–) Pb | Pb²⁺ || Pb | Pb²⁺ (+) K

с_Pb/Pb²⁺ = 10^-3 мол/л с_Pb/Pb²⁺ = 10^-1 мол/л

Э.Д.С. свинцового концентрационного гальванического элемента

Е = (–0,16) – (–0,22) = 0,06 (В)

VI. Примеры выполнения заданий по разделу электролиз водных растворов электролитов

Пример 4. Составить уравнение электролиза водного раствора йодида натрия. Электроды графитовые.

Решение. Йодид натрия является сильным электролитом. Графитовый электрод является инертным анодом.

NaJ = Na⁺ + J^-

Н₂О H⁺ + OH^-

К (– ) (+) А

Na⁺, H⁺ (Н₂О) J^-, OH^- (Н₂О)

Электродный потенциал восстановления ионов Na⁺ е⁰_Na+/Na = –2.71 (В), а электродный потенциал восстановления ионов H⁺ из воды е2н⁺/н₂о = – 0,41(В). Поэтому в первую очередь на катоде восстанавливаются ионы водорода из воды. На аноде в первую очередь окисляются ионы йода, так как потенциал окисления этих анионов ниже потенциала окисления воды.

К атод 1 2Н₂О + 2е = H₂ + 2OH^-

А нод 1 2J^- – 2е^- = J₂

2Н₂О + 2J^- = H₂ + J₂ + 2OH^-

2Н₂О + 2NaJ = H₂ + J₂ + 2NaОН

Пример 5. Составить уравнение электролиза водного раствора нитрата серебра. Электроды графитовые.

Решение. Нитрат серебра является сильным электролитом. Графитовый электрод является инертным анодом.

AgNO₃ = Ag⁺ + NO₃^-

Н₂О H⁺ + OH^-

К (– ) (+) А

Ag⁺, H⁺ (Н₂О) NO₃^-, OH^- (Н₂О)

К атод 4 Ag⁺ + е = Ag

А нод 1 2Н₂О – 4е = O₂ + 4H⁺

4Ag⁺ +2Н₂О = 4Ag + O₂ + 4H⁺

4AgNO₃ + 2Н₂О = 4Ag + O₂ + 4HNO₃

Пример 6. Составить уравнение электролиза водного раствора сульфата калия. Электроды графитовые.

Решение. Сульфат калия является сильным электролитом. Графитовый электрод является инертным анодом.

K₂SO₄ = 2K⁺ + SO₄^2-

Н₂О H⁺ + OH^-

К (–) (+) А

K⁺, H⁺ (Н₂О) SO₄^2-, OH^- (Н₂О)

К атод 2 2Н₂О + 2е = H₂ + 2OH^-

Анод 1 2Н₂О – 4е = O₂ + 4H⁺

4 Н₂О + 2Н₂О = 2H₂ + O₂ + 4OH^- + 4H⁺

2Н₂О = H₂ + O₂

Электролиз с инертным анодом используют для получения водорода, кислорода из воды.

Пример 7. Составить уравнение электролиза водного раствора сульфата меди. Электроды изготовлены из меди.

Решение. Сульфат меди является сильным электролитом. Медный электрод является активным анодом.

CuSO₄ = Cu⁺² + SO^-2₄

Н₂О H⁺ + OH^-

К (–) (+) А

Cu⁺, H⁺ (Н₂О) SO₄^2-, OH^- (Н₂О), Cu

Катод Cu²⁺ + 2е = Cu

А нод Cu – 2е = Cu²⁺

Cu²⁺ + Cu = Cu + Cu²⁺

Электролиз с активным анодом используют для очистки (рафинирования) металлов (меди, золота, серебра, свинца, олова и др.). На аноде растворяются основной металл и примеси. На катоде в первую очередь выделяются металлы, имеющие наиболее положительный потенциал. Так как потенциалы серебра, меди, олова, свинца положительнее, чем потенциалы многих других металлов (примесей), то примеси остаются в растворе.

Электролиз используется для нанесения металлических покрытий на металлы (гальваностегия), а также, для получения точных металлических копий с различных предметов (гальванопластика).

Стандартные электродные потенциалы металлов

Ме/Меn+	eo В	Ме/Меn+	е0В
Li / Li+	-3,05	Cd /Cd 2+	-0,40
Rb / Rb+	-2,93	Co / Co 2+	-0,28
K / K+	-2,92	Ni / Ni 2+	-0,25
Ba / Ba 2+	-2,91	Sn / Sn 2+	-0,14
Ca / Ca 2+	-2,87	Pb / Pb 2+	-0,13
Na / Na+	-2,71	H2 / 2H+	0,00
Mg / Mg 2+	-2,36	Bi / Bi 3+	+0,21
Be / Be 2+	-1,85	Cu / Cu2+	+0,34
AI / AI 3+	-1,66	Ag / Ag+	+0,80
Ti / Ti 2+	-1,63	Hg / Hg 2+	+0,85
Mn / Mn 2+	-1,18	Pt / Pt 2+	+1,19
Zn / Zn 2+	-0,76	Au / Au 3+	+1,50
Cr / Cr 3+	-0,74
Fe / Fe 2+	-0,44

Методические указания по дисциплине «Химия» к лабораторным занятиям по теме «Электрохимические процессы» для студентов специальностей 130503 «Проектирование, сооружение и эксплуатация нефтегазопроводов и нефтегазохранилищ» (НТХ/СТХ), 150202 «Оборудование и технология сварочного производства» дневной формы обучения

Составитель: канд. хим. наук, доцент Обухов В.М.

Подписано к печати Бумага писч. № 1

Заказ № Уч. изд. л.

Формат 60/90/ 1/16. Усл. печ. л.

Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж экз.

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственное образовательное учреждение профессионального высшего образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»