Опыт 2. Изготовление концентрационного гальванического элемента.
Заполните две пробирки растворами сульфата меди разной концентрации: первую – 2 M раствором CuSО4, вторую – 0,2 M раствором
CuSO4. |
оедините |
пробирки электролитным мостиком. |
Опустите |
в |
С |
предварительно зачищенные медные |
пластинки |
и |
|
каждую |
пробирку |
|||
соедините их проводниками с электродами мультиметра.
оставьте схему концентрационного гальванического элемента. Напишите уравнен я х м ческих процессов, протекающих на электродах.
вычислите электродный потенциал катода и анода, а также ЭДС
концентрац онного элемента.
гальваническогоИспользуя значен стандартного потенциала медного электрода,
|
бА |
|
Вопросы задания для защиты лабораторной работы |
|
«Изготовление гальванических элементов» |
1. |
Объясн те понят е «гальванический элемент». |
2. |
Из чего состо т гальванический элемент? |
3. |
Объясните механизм действия и принцип работы ГЭ. |
4. |
Из чего состоит водородный электрод? Как определяется величина |
стандартного электродного потенциала металла? |
|
5. |
Как определить ЭДС ГЭ? |
6. |
В чем особенность концентрационного ГЭ? |
восстановительных реакций на электродахДпод действием прохождения электрического тока через растворы или расплавы электролитов [1, 2, 3]. При электролизе электрод, соединенный с отрицательным полюсом внешнего источника постоянного тока, называется катодом (на нем идет
6. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДНЫХ Р СТВОРОВ И РАСПЛАВОВ СОЛЕЙ
Электролизом |
называют |
И |
|
протекание |
окислительно- |
||
восстановление), а электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, – анодом (на нем идет окисление).
Электролиз протекает в растворе или расплаве электролита. Молекулы электролита диссоциируют на ионы под влиянием полярных молекул воды или под влиянием нагрева расплава. Поэтому при погружении в электролит электродов, соединенных с источником тока, происходит направленное перемещение ионов: катионов (положительно
51
заряженных ионов) к катоду, анионов (отрицательно заряженных ионов) к аноду. Например, при электролизе раствора или расплава хлорида натрия NaCl ионы Na+ перемещаются к катоду, а ионы Cl– – к аноду.
Различают растворимые и нерастворимые аноды. К нерастворимым анодам относятся аноды, изготовленные из угля, графита или Сблагородных металлов (золота, платины, палладия и т.п.). В этом случае к
анодам перемещаются анионы кислотных остатков, и протекает соответствующ й ок сл тельный процесс. Например:
2Cl– – 2ē = 2Cl0 = Cl20↑; 2H2O – 4ē = 4H+ + O2↑.
К раствор мым анодам относятся аноды, изготовленные из любых
металлов, |
бА |
|
кроме лагородных. |
В этом случае происходит окисление |
|
(растворен |
е) самого анода: |
|
|
0 |
n+ |
иМе |
– nē → Ме . |
|
Напр мер, на медном аноде протекает следующий процесс: |
||
|
Cu0 |
– 2ē → Cu2+. |
Cостав продуктов, полученных при электролизе, определяется порядком восстановления катионов на катоде и анионов на аноде.
Катодные процессы при электролизе. Способность положительно заряженных ионов восстанавливаться на катоде определяется величиной их электродного потенциала. Чем больше численное значение величины φ, тем легче происходит восстановление.
При электролизе расплавов на катоде сначала восстанавливаются |
|||
менее активные катионы, стоящие вДряду напряжений правее. Например: |
|||
Cu2+ + 2ē → Cu0; |
( |
/ |
= +0,34B); |
Fe2+ + 2ē → Fe0; |
|||
Al3+ + 3ē → Al0; |
( |
И/ = −0,44 B); |
|
|
( |
/ |
= −1,70B). |
При электролизе растворов последовательность разряжения ионов на катоде следующая:
52
1. Катионы металлов, стоящие в ряду напряжений правее водорода и имеющие положительные значения стандартных электродных потенциалов, всегда восстанавливаются из растворов. Например:
Ag+ |
+ ē → Ag0; |
|
( |
|
/ |
= +0,799 B). |
С |
|
|
|
|
|
|
2. Если катионы металлов занимают в ряду напряжений среднее |
||||||
положен е |
(от марганца |
до |
водорода), то одновременно с |
|||
восстановлен ем кат онов металлов протекает процесс восстановления |
||||||
образованием2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH ; |
(Zn |
|
+/ |
= −0,763B) 2 |
||
молекул воды с |
газообразного водорода и ионов ОН-. Ионы |
|||||
ОН- соед няются с кат онами металла с образованием основания. |
||||||
Напр мер: |
|
|
|
|
|
|
|
бА- |
; |
||||
Zn2+ + 2ē → Zn0; |
|
|
|
|
||
|
|
– |
|
2+ |
2OH– → Zn(ОН) . |
|
На более вероятно протекание 1-го процесса – восстановления катионов металла.
3. Катионы металлов начала ряда напряжений, расположенные левее марганца, из водных растворов не восстанавливаются; их можно восстановить только из расплавов. Это связано с большим перенапряжением восстановления указанных металлов.
В водных растворах протекает восстановление молекул воды, а ионы металлов соединяются с ионами ОН.
Например:
2H O + 2ē → H ↑ + 2OH–; |
И |
2 Na2 + + 2 OH– →2 2 NaОН. |
Д( / = −0,413 B); |
Продукты, образующиеся при электролизе на электродах в результате окислительно-восстановительных реакций, называются
первичными продуктами электролиза. Продукты, образующиеся в растворе у электродов в результате вторичных реакций соединения,
называются вторичными продуктами электролиза.
В приведенных примерах вторичными продуктами электролиза являются основания Zn(ОН)2 и NaОН.
Анодные процессы при электролизе. На аноде в первую очередь окисляются отрицательно заряженные ионы, которые имеют наименьшее
53
значение электродного потенциала. Пользуясь рядом стандартных окислительно-восстановительных потенциалов, можно приближённо установить порядок окисления анионов на аноде.
В первую очередь окисляются анионы бескислородных кислот (S2-,
I–, Br–, Cl–, CN–), за исключением иона фтора. |
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
Например: |
( |
/ |
= +0,48B). |
|
S2– – 2ē → S0; |
||||
слородсодержащих |
|
|
|
|
Во вторую очередь окисляются молекулы воды: |
= −1,23 B). |
|||
2H2O – 4ē → O2↑ + 4H+; |
|
( |
/ |
|
бА3– |
|
|||
Ан оны к |
кислот |
при |
электролизе водных |
|
растворов участвуют во вторичных процессах соединения с ионами водорода.
Напр мер:
SО42– + 2Н+ → Н2SО4.
Анионы кислородсодержащих кислот при электролизе расплавов окисляются с образованием кислорода и соответствующего оксида.
Например: |
Д |
|
2SО42–– 4ē → O2↑ + 2SО3; |
|
4РО4 – 12ē → 3O2↑ + 2Р2О5; |
|
2СО32–– 4ē → O2↑ + 2СО2. |
|
И |
В третью очередь окисляются анионы OH–: 4OH– – 4ē → O2↑ + Н2О.
Рассмотрим примеры различных случаев электролиза:
1. Электролиз раствора хлорида меди с нерастворимым анодом.
|
CuCl2 ↔ Cu2+ + 2Cl–: |
Катодный процесс (–) |
Анодный процесс (+) |
Cu2+ + 2ē → Cu0. |
2Cl– – 2ē → Cl20↑. |
54
|
2. Электролиз раствора сульфата цинка с нерастворимым анодом. |
||||||
|
|
ZnSO4 ↔ Zn2+ + SО42–: |
|
|
|||
|
Катодный процесс (–) |
|
Анодный процесс (+) |
||||
С |
2H2O – 4ē → O2↑ + 4H+; |
||||||
|
Zn2+ |
+ 2ē → Zn0; |
|||||
|
2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH–; |
4H+ + 2SО42– → H2SO4. |
|||||
|
Zn2+ + 2OH– → Zn(OH)2. |
|
|
|
|
|
|
|
кислород |
|
|
|
|
|
|
|
В данном пр мере вторичными продуктами электролиза являются: |
||||||
образовавшаяся у анода серная кислота и у катода гидроксид цинка. Цинк |
|||||||
и |
|
, образовавшиеся на |
электродах, |
являются |
|
первичными |
|
|
|
б |
|
|
|
|
|
продуктами электрол за. |
|
|
|
|
|
||
|
3. Электрол з раствора хлорида натрия с нерастворимым анодом. |
||||||
|
|
NaCl ↔ Na+ + Cl–: |
|
|
|
||
|
|
А |
|
|
|||
|
Катодный процесс (–) |
|
нодный процесс (+) |
||||
2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH–; |
|
|
2Cl– – 2ē → Cl20↑. |
||||
2Na+ + 2OH– → 2NaOH. |
|
|
|
|
|
||
|
В приведённом примере первичными продуктами электролиза |
||||||
являются газы – водород и хлор, вторичными – гидроксид натрия, |
|||||||
образовавшийся у катода. |
|
|
|
|
|
||
|
4. Электролиз раствора сульфата натрия с нерастворимым анодом. |
||||||
|
|
|
+ |
И |
|||
|
|
|
|
2– |
|
|
|
|
|
Na2SO4 Д↔ 2Na + SО4 : |
|||||
|
Катодный процесс (–) |
|
Анодный процесс (+) |
||||
|
2H2O + 2ē → H2↑ + 2OH–; |
|
2H2O – 4ē → O2↑ + 4H+; |
||||
|
+ |
– |
|
|
+ |
2– |
→ H2SO4. |
|
2Na + 2OH → 2NaOH. |
|
|
4H + 2SО4 |
|
||
В данном случае, как и при электролизе кислородсодержащих кислот и щелочей, образуются по 2 первичных (водород и кислород) и вторичных (щелочь и кислота) продукта.
55