Материал: 1594
5. Объясните механизм образования заряда на поверхности коллоидных частиц за счет частичной ионизации нерастворимых молекул кислот и оснований.
6.Какие виды устойчивости характерны для дисперсных систем? |
||||
Охарактеризуйте каждый вид устойчивости, объясните, от каких факторов |
||||
С |
|
|
|
|
он зависит. |
|
|
|
|
7. Какой процесс называется коагуляцией? Назовите способы |
||||
коагуляц |
колло дных |
растворов. В чем |
отличие коагуляции |
|
лиофильных |
л офобных золей? |
|
||
тиксотроп |
|
|||
8. Как е в ды связнодисперсных структур вы знаете? Дайте |
||||
определен е |
так м |
свойствам связнодисперсных структур, как |
||
я |
с нерез |
с. |
|
|
9. Пр вед те пр меры дисперсных систем, |
которые встречаются в |
|||
|
бА |
|||
природе, в про зводстве в |
ыту. |
|
||
5. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
Электрохимическими процессами называют процессы взаимного превращения химической и электрической форм энергии [1, 2, 3].
Электрохимические процессы можно разделить на две основные группы:
1)процессы превращения химической энергии в электрическую (в гальванических элементах);
2)процессы превращения электрической энергии в химическую (электролиз).
В электрохимических процессах изменение изобарно - изотермического потенциала определяется по формулеД
ΔG = –nFE , |
И |
|
где n – число электронов, принимающих участие в реакции; F – число Фарадея, F = 96 487 ≈ 96 500 Кл/моль; Е – разность потенциалов, при которых протекают катодные и анодные процессы или электродвижущая сила (ЭДС) электрохимической системы.
Электрохимические процессы протекают за счет окислительновосстановительных реакций, т.е. перехода электронов от восстановителя к окислителю. Реакцию следует проводить таким образом, чтобы процессы окисления и восстановления были пространственно разделены, а
46
электроны перемещались от восстановителя к окислителю по внешней цепи.
Устройства, при помощи которых химическая энергия превращается в электрическую, называются гальваническими элементами или
химическими источниками электрической энергии.
СЭти устройства состоят из двух электродов – металлических
пластин, помещённых в соответствующие растворы электролитов, разделенных пор стой перегородкой и соединённых проводником. Электрод, на котором протекает процесс окисления, называется анодом. Электрод, на котором протекает процесс восстановления, называется
катодом.
На гран це «металл – жидкость» возникает двойной электрический слой, характер зующ йся определенным скачком потенциала. Абсолютные
|
бА |
|
|
|||||||||||
значения скачков потенц алов измерить не удается. Они зависят от целого |
||||||||||||||
ряда факторов (пр роды металла, концентрации, температуры др.). |
||||||||||||||
Поэтомуиопределяют электродные потенциалы |
|
. |
|
|
||||||||||
Стандартным электродным потенциаломМеметалла |
|
называют |
||||||||||||
его электродный потенциал, возникающий при |
погружении металла в |
|||||||||||||
|
|
Ме |
|
|||||||||||
раствор собственного иона с концентрацией |
или |
активностью, равной |
||||||||||||
1 моль/дм3. Он |
численно равен |
измеренной Э |
С |
гальванического |
||||||||||
элемента, составленного из данного металла и нормального водородного |
||||||||||||||
электрода, потенциал которого при 25 °С условно принимается равным |
||||||||||||||
нулю: |
|
|
Н /Н |
= 0 В. |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Располагая |
металлы в |
ряд по |
|
мере возрастания |
их стандартных |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
И |
||||
электродных потенциалов, получаем так называемый ряд напряжений. В |
||||||||||||||
гальваническом элементе металл,Дстоящий в ряду напряжений левее, |
||||||||||||||
является анодом, правее – катодом (прил. 7). |
|
|
|
|
|
|||||||||
Если концентрация раствора иона металла, в который погружен |
||||||||||||||
металл, не равна 1 моль/дм3, то электродный потенциал металла |
||||||||||||||
рассчитывается по уравнению Нернста |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
= |
+ |
|
∙ |
|
lgCМе |
|
|
|
|
|
||
или для Т = 298 К |
|
∙ |
|
, |
|
|
|
|
||||||
|
|
= |
+ |
0,059 |
lgCМе |
, |
|
|
|
|
||||
47
где φ0 – стандартный электродный потенциал, B; n – число электронов,
принимающих |
участие |
|
в |
электрохимической |
реакции; |
|
Ме |
– концентрация (при точных вычислениях – активность) ионов |
|||||
металла в растворе, моль/дм3. |
|
|
|
|
||
|
Окислительно-восстановительная реакция, которая лежит в основе |
|||||
ЭДС |
|
|
|
|
||
работы гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС |
||||||
элемента Е имеет положительное значение. В этом случае G < 0. |
||||||
|
гальван |
ческого элемента рассчитывается как |
|
|||
потенциал |
|
– φа, |
|
|||
|
|
|
Е = φк |
|
||
где φк – электродный |
|
катода; |
|
|||
|
φа – электродный |
|
анода. |
|
||
|
бА |
|
||||
|
|
Пр меры решения типовых задач |
|
|||
|
Пр мер 1. Состав ть схему гальванического элемента, в котором |
|||||
электродами являются магниевая и цинковая пластинки, |
опущенные в |
|||||
растворы их ионов с активной концентрацией 1 моль/дм3. Какой металл является анодом, какой катодом? Написать уравнение окислительновосстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислить его ЭДС.
Решение. Схема данного гальваническогоДэлемента
( ) Mg0|Mg2+||Zn2+|Zn0 (+).
Вертикальная черта обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две черты границу разделаИдвух жидких фаз пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную
раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (–2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс.
А: Mg0 – 2ē = Mg2+.
Цинк, потенциал которого –0,763 В, является катодом, т.е. электродом, на котором протекает восстановительный процесс.
К: Zn2+ + 2ē = Zn0.
48
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, которая лежит в основе работы данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного и катодного процессов:
С |
Mg0 |
+ Zn2+ = Mg2+ + Zn0. |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Для определения электродвижущей силы Е гальванического |
|||||||||||||
элемента з потенц ала катода следует вычесть потенциал анода. Так как |
|||||||||||||
концентрац я |
онов в растворе равна 1 моль/дм3, то ЭДС элемента равна |
||||||||||||
потенциал |
|
|
|
|
|
||||||||
разности стандартных потенциалов катода и анода. |
|
||||||||||||
0 |
|
2+ |
|
|
0 |
|
2+ |
|
|
|
|
||
Е = φ |
(Zn |
|
/Zn) – φ |
(Mg |
/Mg) = –0,763 – (–2,37) = 1,607 B. |
||||||||
бА |
|||||||||||||
Пр мер 2. |
Стандартный электродный потенциал у никеля больше, |
||||||||||||
чем у кобальта (пр |
л. 8). Изменится ли это соотношение, если измерить |
||||||||||||
келя в растворе его ионов с концентрацией 0,001 моль/дм3, а |
|||||||||||||
кобальта – 0,1 моль/дм3? |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Решен е. Электродный потенциал металла φ зависит от |
|||||||||||||
концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается |
|||||||||||||
уравнением Нернста. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Для никеля и ко альта стандартные электродные потенциалы |
|||||||||||||
соответственно равны –0,25 |
и |
–0,277 В. Определим электродные |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д |
|||
потенциалы этих металлов при данных концентрациях растворов: |
|||||||||||||
|
|
2 |
|
|
0,25 |
|
0,059 |
|
lg 10 3 |
0,337 B; |
|||
|
Ni |
|
|
/Ni |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
0,277 |
0,059 |
lg 10 1 |
0,306 B. |
|||||
|
Co |
|
|
|
/Co |
|
|
|
|
2 |
|
И |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Таким образом, при изменившихся концентрациях потенциал кобальта стал больше потенциала никеля.
Пример 3. Магниевую пластинку опустили в раствор соли магния. При этом электродный потенциал магния оказался равен –2,41 В. Вычислить концентрацию ионов магния в моль/дм3.
49
Решение. Подобные задачи также решаются на основании уравнения Нернста:
|
|
|
2,41 2,37 |
0,059 |
lgC |
Мg2 |
; |
||||||
С |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||||
|
0,04 |
0,029 |
lg CMg 2 ; |
|
|||||||||
lgC |
Mg2 |
|
0,04 |
|
1,3793 |
2,6207; |
|||||||
|
|||||||||||||
|
|
0,029 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
CMg2 |
4,17 10 2 моль/дм 3. |
|
||||||||||
Ла ораторная работа № 5 |
|
||||||||||||
|
|
Изготовление гальванических элементов |
|||||||||||
Цель работы: науч |
ться изготавливать гальванический элемент. |
||||||||||||
и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Опыт 1. Изготовление медно-цинкового элемента. |
|||||||||||||
Одну |
|
|
заполните доверху 1 М раствором сульфата цинка, |
||||||||||
другую – |
|
1 М раствором |
|
сульфата меди. Пробирки соедините |
|||||||||
|
пробирку |
|
|
||||||||||
электролитным мостиком (П-о разной полой трубкой, заполненной |
|||||||||||||
насыщенным раствором хлорида калия в смеси с агар-агаром). Опустите в |
|||||||||||||
раствор сульфата цинка ZnSO4 цинковую пластинку, а в раствор сульфата |
|||||||||||||
меди CuSO4 |
– медную (пластинки предварительно очистите наждачной |
||||||||||||
бумагой). |
|
|
А |
|
|||||||||
|
Пластинки |
соедините |
проводниками с электродами |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Д |
||||||
мультиметра. Наблюдайте появление на экране прибора значения ЭДС, указывающего на наличие в цепи электрического тока.
Составьте схему гальванического элемента. Напишите уравнения химических реакций, протекающих на его электродах, и суммарное уравнение химической реакции (токообразующую реакцию), в результате
которой возникает электрический ток в данном элементе. |
|
||
Используя |
числовые |
значения стандартных |
электродных |
потенциалов цинка и меди, вычислите ЭДС медно-цинкового |
|||
гальванического элемента. |
И |
||
В каком направлении перемещаются электроны по внешней цепи прибора? Какие ионы и в каком направлении перемещаются в растворе по внутренней цепи?
50