Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Уравнение Нернста. Электродный потенциал любой окислительно-восстановительной системы, находящейся в нестандартных условиях

Электродный потенциал любой окислительно-восстановительной системы, находящейся в нестандартных условиях, можно рассчитать по уравнению Нернста:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

где: φ — электродный потенциал окислительно-восстановительного электрода, В;

φ 0 — стандартный электродный потенциал этого электрода, В, R — универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль· К, T – температура в K; n — число электронов в уравнении электродной реакции, F — число Фарадея, равное 96500 Кл/моль, aок., a восст. — активности окисленной формы восстановителя (Ме n+ ) и восстановленной формы окислителя (Ме) в электродной реакции. Подставив в уравнение Нернста T = 298 K, R, F и введя множитель 2,3 (переход к десятичным логарифмам), получим:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Уравнение Нернста для металлического электрода имеет вид:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Для разбавленных растворов, в которых активности мало отличаются от концентрации (a » С):

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Величина j°Me n+ /Me 0 называется стандартным ЭП металлического электрода. Значение ЭП металлического электрода равно величине стандартного ЭП металлического электрода при концентрации ионов металла в растворе, равной 1 моль/л. Стандартный электродный потенциал – равновесная разность потенциалов гальванического элемента, составленного из стандартного водородного электрода (электрод сравнения) и электрода, потенциал которого определяется в стандартных условиях.

Дата добавления: 2015-07-30 ; просмотров: 2627 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Видео:Электрохимический ряд потенциалов. 1 часть. 10 класс.Скачать

Электрохимический ряд потенциалов. 1 часть. 10 класс.

Применение уравнения Нернста в решении задач.

При рассмотрении вопроса об окислительно-восстановительных реакциях часто возникает необходимость расчета электродвижущей силы (ЭДС) и потенциалов отдельных полуреакций. В справочниках обычно приведены таблицы т.н. стандартных потенциалов тех или иных процессов, рассчитанных при р=1 атм, Т=298К и активностях участников равных 1. Однако в реальных задачах условия могут значительно отличаться от указанных выше. Как быть в таком случае? Ответ дает уравнение Нернста. В оригинальном виде оно выглядит так:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении
Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении
Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении
Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении
Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении
Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении
Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении
Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении
Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Как можно заметить, в уравнении фигурируют несколько постоянных величин. Также температура в подавляющем большинстве случаев равна 298К. Кроме того, можно заменить натуральный логарифм на десятичный. Это можно сделать путем умножения на коэффициент перевода. Если собрать все постоянные в единый множитель, то приходим к несколько иному, но более знакомому по учебным пособиям виду уравнения Нернста:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Такой вариант уравнения сильно облегчает жизнь в ряде случаев, например рассмотрении рН-зависимых процессов. Используя данное уравнение можно провести вычисления в любых условиях, приведенных в задаче. Рассмотрим характерные примеры задания по данной теме.

Пример 1:

Рассчитать ЭДС гальванического элемента, составленного из медной и цинковой пластин, погруженных в растворы 0.1М CuSO4 и 0.01М ZnSO4 соответственно. Коэффициенты активности ионов Cu 2+ и Zn 2+ принять равными единице.

Решение:

Для начала запишем уравнения протекающих процессов:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении
Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Далее находим по таблице стандартные потенциалы процессов:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Если в условиях задачи ничего не сказано про коэффициенты активности ионов, то можно считать их равными единице, как и в нашем случае. Тогда активности участников процессов можно принять равными их аналитическим концентрациям.

Найдем реальные потенциалы с учетом нестандартных активностей ионов:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Далее необходимо сравнить полученные величины между собой, чтобы определить, кто из участников процесса – окислитель. Потенциал меди больше, чем у цинка, поэтому она будет окислителем. Тогда найдем ЭДС системы:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Ответ: 1.13 В

Пример 2:

Одним из лабораторных способов получения хлора является действие KMnO4 на концентрированную соляную кислоту. Можно ли провести процесс при рН=4?

Решение:

Для начала запишем уравнения протекающих процессов.

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Далее находим по таблице стандартные потенциалы процессов:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Несложно заметить, что от рН в данном случае зависит только потенциал перманганата. Тогда воспользуемся уравнением Нернста и рассчитаем его реальный потенциал в условиях задачи:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Получается, что потенциал KMnO4 стал меньше, чем у хлора, а значит, реакция не пойдет.

Видео:Урок 298. Электрический ток в жидкостях. Закон Фарадея для электролизаСкачать

Урок 298. Электрический ток в жидкостях. Закон Фарадея для электролиза

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ЭДС

При изучении этого раздела рекомендуется проработать следующие вопросы: понятие об электродных потенциалах; гальванические элементы (ГЭ); электродвижущая сила гальванического элемента (ЭДС) и ее измерение; стандартный водородный электрод и водородная шкала потенциалов; уравнение Нернста; потенциалы металлических, газовых и окислительно-восстановительных электродов; кинетика электродных процессов; электрохимическая и концентрационная поляризация [1, 10].

Гальванический элемент – электрохимическая система, состоящая из электродов, погруженных в раствор электролитов и соединенных между собой металлическим проводником, образующим внешнюю цепь элемента.

В основе работы гальванического элемента лежат процессы, происходящие на границе металлический электрод – электролит, в результате которых образуется двойной электрический слой. За счет двойного электрического слоя возникает скачок потенциала, называемого электродным. Величина электродного потенциала металла является количественной характеристикой его активности. Для того, чтобы можно было сравнивать активность различных металлов вводится понятие стандартного электродного потенциала j о . Чем более отрицательное значение имеет потенциал металла, тем более сильными восстановительными способностями обладает этот металл. И наоборот, чем более положителен потенциал металлического электрода, тем более сильными окислительными способностями обладают ионы.

Величина потенциала металлического электрода зависит от температуры, активности ионов и рассчитывается по уравнению Нернста

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении,

где Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении– стандартный электродный потенциал, измеренный относительно водородного электрода при стандартных условиях (Т = 298 K; Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1 моль/л, Р = 1 атм) (табл. 9 приложения);

R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура, K;

n – число электронов, участвующих в процессе;

F – постоянная Фарадея, равная 96 548 Кл/моль;

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении– активность ионов металла в растворе, моль/л.

После подстановки значений постоянных и перевода натурального логарифма в десятичный формула Нернста приобретает вид:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

Потенциалы водородного и кислородного электродов, являющиеся газовыми электродами, зависят от рН раствора и парциального давления. Потенциалы этих электродов приведены в табл. 10.

Пример 1. Вычислите электродный потенциал водородного электрода в нейтральной среде при Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1 атм.

Решение. Электродный потенциал водородного электрода определяется по уравнению Нернста, исходя из схемы электродного процесса:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении+ 2 Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении« Н2

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

Активность ионов водорода в нейтральной среде а Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 10 –7 и Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,

тогда Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= – 0,418 В.

Полученное значение Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлениисравните с табличным (табл. 10 приложения).

Пример 2. Серебряный электрод опущен в раствор нитрата серебра AgNO3 с активностью ионов Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1·10 –2 моль/л. Вычислите электродный потенциал.

Решение. Электродный процесс:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении+ Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении« Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Электродный потенциал серебра рассчитывается по уравнению Нернста:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,8 + 0,059× lg10 –2 = 0,682 B.

Пример 3. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из железного и медного электродов, опущенных в растворы собственных солей. Напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС этого ГЭ, если активности ионов в соответствующих растворах следующие: Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1 · 10 –2 моль/л, а Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1,0 моль/л.

Решение. Ионно-электронные уравнения электродных процессов:

А: Fe – 2 Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении® Fe 2+

K: Cu 2+ + 2 Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении® Cu

Железный электрод является анодом, так как его стандартный электродный потенциал ( Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= – 0,44 В) меньше, чем стандартный потенциал медного электрода ( Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= + 0,34 В) (табл. 9 приложения).

Схема данного в условии гальванического элемента имеет вид:

(–) Fe | Fe 2+ || Cu 2+ | Сu (+)

Определяем ЭДС элемента:

ЭДС Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Электродный потенциал анода определяем по уравнению Нернста, а потенциал катода является стандартной величиной:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииВ.

ЭДС = 0,34 – (– 0,499) = 0,839 В.

Пример 4. Схема гальванического элемента имеет вид:

(–) Zn |ZnCl2 || ZnCl2 |Zn (+). Рассчитайте ЭДС этого элемента, если в одном полуэлементе активность ионов цинка 0,001 моль/л, а в другом – 0,01 моль/л. Напишите уравнения анодного и катодного процессов.

Решение. В условии задачи дан концентрационный гальванический элемент. В таком элементе катодом будет цинк, опущенный в раствор соли с более высокой активностью ионов Zn 2+ = 0,01 моль/л.

Уравнение электродных процессов:

А: Zn – 2 Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении® Zn 2+

K: Zn 2+ + 2 Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении® Zn

Определяем ЭДС элемента:

ЭДС Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

Электродные потенциалы находим по уравнению Нернста:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении,

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении;

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииВ;

ЭДС Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= – 0,819 – (– 0,848) = 0,029 В.

Пример 5. Для гальванического элемента:

напишите уравнения электродных процессов и рассчитайте реальную ЭДС с учетом перенапряжения выделения водорода, если активность ионов марганца 1 · 10 –2 моль/л, а ионов водорода 1,0 моль/л (при Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1 атм).

Решение. Уравнения электродных процессов:

А: Mn – 2 Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении® Mn 2+

K: 2H + + 2 Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении® H2 (в кислой среде на катоде идет процесс водородной деполяризации)

При работе гальванического элемента ЭДС и ток уменьшаются. Это связано с изменениями электродных потенциалов анода и катода. Изменение электродных потенциалов, приводящее к уменьшению ЭДС и силы тока, называется поляризацией.

Различают три вида поляризации: газовую, концентрационную и электрохимическую. Разность между равновесным потенциалом электрода и его потенциалом в том же растворе при прохождении электрического тока, называется перенапряжением (табл. 11 приложения).

В условиях данной задачи перенапряжение выделения водорода на катоде Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,30 В (табл. 11 приложения), а электродный потенциал водородного электрода в кислой среде при давлении водорода 1 атм принят равным нулю: Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0. Потенциал катода с учетом перенапряжения Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииопределяется:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииВ.

Электродный потенциал анода определяем по формуле Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении. Так как перенапряжение металла на металле условно принято равным нулю, то Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении,

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииВ;

ЭДС = – 0,30 – (–1,239) = 0,939 В.

Пример 6. Вычислите величину потенциала окислительно-восстановитель-ного электрода Pt | Sn 4+ , Sn 2+ . Реакция восстановления Sn 4+ + 2 Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении® Sn 2+ протекает в растворе с активностями ионов Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,1моль/л, Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,001 моль/л. Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

Решение. Потенциал окислительно-восстановительного электрода определяется по уравнению:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

Тогда Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

Пример 7. Железный электрод в растворе своей соли имеет электродный потенциал Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении. Вычислите активность ионов в растворе, моль/л.

Решение. Определяем активность ионов железа, используя уравнение Нернста:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

так как Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= – 0,44 В (табл. 9 приложения), а n = 2, то

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении;

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении;

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении, Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлениимоль/л.

Пример 8. Вычислите стандартную ЭДС гальванического элемента, в котором установилось равновесие:

Zn + 2Ag + « Zn 2+ + 2Ag ,

если Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= – 146,5 кДж/моль, а Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 77,2 кДж/моль.

Решение. Стандартная ЭДС гальванического элемента определяется по уравнению:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении,

где nF – количество электричества, которое теоретически можно получить при электрохимическом превращении одного моля вещества;

F – постоянная Фарадея (F = 96,548 кДж/В · моль), или F » 96 500 Кл/моль,

n – количество электронов, участвующих в процессе, для нашего ГЭ n = 2;

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении– стандартная энергия Гиббса данной реакции равна:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Так как стандартные энергии Гиббса образования простых веществ цинка и серебра равны нулю, то подставляя числовые значения величин, находим:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= – 146,5 – 2 · 77,2 = – 300,9 кДж.

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

201. Составьте схему, напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС цинко-магниевого гальванического элемента, в котором активность ионов цинка Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1·10 –1 моль/л, а ионов магния Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1,0 моль/л.

202. Для гальванического элемента (–) Cr | Cr 3+ || 2H + | H2, Fe (+)

напишите уравнения электродных процессов и рассчитайте реальную ЭДС с учетом перенапряжения выделения водорода, если активность ионов хрома Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1·10 –2 моль/л, а ионов водорода Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1,0 моль/л (при Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1 атм).

203. Алюминиевая и медная пластины соединены внешним проводником и опущены в раствор серной кислоты. Составьте схему гальванического элемента и напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов, протекающих на аноде и на катоде.

204. Вычислите электродный потенциал водородного электрода в кислой среде при при Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 2 атм и [ H + ] = 1 моль/л.

Ответ: – 9× 10 –3 В.

205. Составьте схему, напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС железно-ртутного гальванического элемента, в котором активность ионов железа Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1·10 –3 моль/л, а ионов ртути Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1·10 –2 моль/л.

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

Напишите ионно-электронное уравнение электродных процессов и вычислите ЭДС этого элемента, если активность ионов магния Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,01 моль/л, а ионов серебра Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,001 моль/л.

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

Напишите ионно-электронное уравнение электродных процессов и вычислите ЭДС этого элемента, если активность ионов цинка Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,001 моль/л, а ионов свинца Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,01 моль/л.

208. Вычислите величину потенциала окислительно-восстановительного электрода Pt | Fe 3+ , Fe 2+ если Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= + 0,77 В, а активности ионов железа в растворе соответственно равны Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,001 моль/л и Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,1 моль/л.

209. Алюминиевый электрод в растворе соли имеет электродный потенциал Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении. Вычислите активность ионов Al 3+ , моль/л.

Ответ: 0,095 моль/л.

210. Какой гальванический элемент называется концентрационным? Составьте схему, напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из двух медных электродов, опущенных в растворы сульфата меди CuSO4 c активностью ионов меди в первом растворе Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,01 моль/л и с Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,001 моль/л во втором.

211. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых цинк был бы катодом, а в другом – анодом. Напишите для каждого из этих элементов ионно-электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде.

212. При какой активности ионов Mn 2+ (моль/л) потенциал марганцевого электрода будет на 0,018 В меньше его стандартного электродного потенциала?

Ответ: 0,25 моль/л.

213. Потенциал медного электрода в растворе хлорида меди CuCl2 составил 97% от величины его стандартного электродного потенциала. Чему равна активность ионов Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении, ( моль/л)?

Ответ: 0,46 моль/л.

214. Для гальванического элемента

напишите уравнения электродных процессов и рассчитайте реальную ЭДС с учетом перенапряжения выделения водорода, если активность ионов магния Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1·10 –3 моль/л, а ионов водорода Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1,0 моль/л (при Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1 атм).

215. Вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором при 298 K установилось равновесие: Mg + Cd 2+ « Mg 2+ + Cd, если активность ионов магния Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,01 моль/л, а ионов кадмия Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,1 моль/л. Напишите уравнения электродных процессов.

216. Вычислите стандартную ЭДС гальванического элемента, в котором установилось равновесие: Fe + Cu 2+ « Fe 2+ + Cu, если известно, что Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= + 66,2 кДж/моль, а Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= – 84,8 кДж/моль.

217. Составьте схему, напишите ионно-электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС железо-медного гальванического элемента, в котором активность ионов железа Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1·10 –2 моль/л, а активность ионов меди Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1 моль/л.

218. Вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором при 298 K установилось равновесие: Cd + Cu 2+ « Cd 2+ + Cu, если активность ионов магния Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 10 –3 моль/л, а ионов кадмия Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 10 –2 моль/л. Напишите уравнения электродных процессов.

219. Вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором при 298 K установилось равновесие: 2Na + H2O(г) + 1/2O2 « 2NaOH (к) ,

если Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= – 228,76 кДж/моль, а Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= – 380,46 кДж/моль.

220. Вычислите величину потенциала окислительно-восстановительного электрода Pt | Co 3+ , Co 2+ с активностями ионов кобальта Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1 моль/л и Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,001 моль/л, если Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

Видео:Уравнение Нернста. Задачи на расчет потенциалов. Продукты в ОВР. Ч.5-2.Скачать

Уравнение Нернста. Задачи на расчет потенциалов. Продукты в ОВР. Ч.5-2.

Обратимые потенциалы металлов, уравнение Нернста.

Исходя из предположения, что, если при взаимодействии металла с водным раствором электролита фазовую границу пересекают только ионы металла, то протекают два сопряженных процесса (А. Н. Фрумкин):

1) анодный (окислительный) процесс – переход ионов металла в раствор с образованием гидратированных ионов:

Ме + Н2О = Ме n+ ·mH2O + ne, (4.5) скорость которого, измеряемая числом ионов, переходящих из твердой фазы в жидкую фазу в единицу времени, может быть выражена через плотность соответствующего тока прямого процесса Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении(рис. 4.4, а);

2) катодный (восстановительный) процесс – разряд гидратированных ионов из раствора с выделением их на поверхности металла в виде нейтральных атомов:

Ме n+ ·mH2O + ne = Ме + Н2О, (4.6) скорость обратного процесса определяется соответствующей плотностью тока Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении(катодный процесс практически используется для электрохимического осаждения гальванических покрытий).

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении

Рис. 4.4. Схема установления электродных потенциалов металлов:

а) – обратимого (равновесного), б) – необратимого.

Какой из этих процессов преобладает, определяется уровнем потенциальной энергии катионов в узлах кристаллической решетки металла ПMe и в растворе Пp. Если ПMeр, то Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении> Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении, то преобладает анодный процесс, суммарная скорость которого равна ia = Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении> Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении. Если Пр > ПМе, то Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении> Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении, то преобладает катодный процесс разряд ионов металла из раствора, суммарная скорость которого равна iк = Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииУравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

Образующийся ДЭС затрудняет протекание прямого процесса и облегчает протекание обратного. Когда потенциал в нем достигает значения, при котором энергетический уровень ионов в металле и растворе становится одинаковым, ПМе = Пр, устанавливается динамическое равновесие, при котором скорости анодного и катодного процессов равны:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= i0, (4.7) где i0 плотность тока обмена, обусловленная постоянно протекающим обменом ионами между металлом и раствором. (В водных растворах плотность тока обмена твердых металлов составляет 10 -8 — 10 -5 А/см 2 ).

Этому равновесному состоянию соответствует некоторый скачок потенциала металла между металлом и раствором электролита, абсолютная величина которого неизвестна, поскольку разность потенциалов между двумя фазами нельзя измерить непосредственно. Для её определения измеряется э.д.с. элемента, составленного из исследуемого электрода (металла в электролите) и электрода сравнения. Эта э.д.с. и называется электродным потенциалом металла.

Обратимый (равновесный) электродный потенциал металлаMe)o6p или ( Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении) устанавливается, если в процессе обмена, определяющего потенциал металла в электролите, участвуют только ионы данного металла, т. е. когда металл находится в равновесии с собственными ионами в электролите (рис. 4.4, а).

В случае установления обратимого потенциала скорости анодного и катодного процессов равны ( Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении), как и соответствующие заряды (количество электричества) процессов, и потерь массы металла нет (ΔmМе=0), т. е. коррозии (растворения) металла не происходит.

Обратимый (равновесный) электродный потенциал металла рассчитывается по уравнению Нернста, его величина количественно характеризует способность металла посылать свои ионы в раствор электролита.

Уравнение Нернста может получено на основе термодинамических соотношений. Т.к. знак потенциала зависит от направления реакции, обратимо протекающие реакции записываются в восстановительной форме:

Ме n+. mH2O+ ne Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииМе + Н2О. (4.8)

Для этой реакции уравнение изотермы Вант-Гофффа записывается как:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении, (4.9) где Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении– стандартное изменение энергии Гиббса; R = 8,314 Дж/моль . К – универсальная газовая постоянная; T – температура, К; aMe , Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении– активности металла и ионов металла в растворе.

Поскольку, работа по созданию двойного электрического слоя (аналогично соотношению 4.2) равна убыли энергии Гиббса:

де Eдс – потенциал двойного электрического слоя (потенциал гальванического элемента металл-раствор или обратимый потенциал металла Еобр); n – заряд иона металла; F – постоянная Фарадея.

Подставляя (4.9) в уравнение 4.9, поскольку aMe =1, Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении=1, получаем уравнение Нернста:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении, (4.11)

где Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлениистандартный обратимый потенциал металла (потенциал при Р=1атм =1,013·10 5 Па, Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1 моль/кг).

В общем случае, при протекании на поверхности металла, находящегося в контакте с электролитом, окислительно–восстановительной реакции с участием окисленной Ох и восстановленной Red форм вещества:

mOx + ke Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииnRed, (4.12)

обратимый потенциал этой (катодной) реакции равен:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении, (4.13)

где Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении— стандартный окислительно-восстановительный потенциал реакции (обратимый или равновесный потенциал при Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении), Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлениии Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении— активности окислителя и восстановителя с соответствующими стехиометрическими коэффициентами.

Стандартные потенциалы приведены в таблице 4.1.

Стандартные электродные потенциалы некоторых металлов и

окислительно-восстановительных реакций при 25 0 С.

РеакцияПотенциал, ВРеакцияПотенциал, В
Li + +e=Li–3,01H + + e = ½H20,000
K + +e=K–2,925Sn 4+ +4e=Sn0,007
Na 2+ +2e=Na–2,900Cu 2+ +2e=Cu0,337
Mg 2+ +2e=Mg–2,370Cu + +e=Cu0,521
Al 3+ +3e=Al–1,660Fe 3+ +e=Fe 2+0,77
Ti 2+ +2e=Ti–1,630Ag + +e=Ag0,799
Ti 3+ +3e=Ti–1,210Hg 2+ +2e=Hg0,854
Mn 2+ +2e=Mn–1,180Pd 2+ +2e=Pd0,987
Cr 2+ +2e=Cr–0,913Ir 3+ +3e=Ir1,150
Zn 2+ +2e=Zn–0,762Pt 2+ +2e=Pt1,190
Cr 3+ +3e=Cr–0,740Au 3+ +3e=Au1,500
Fe 2+ +2e=Fe–0,440Au + +e=Au1,690
Cd 2+ +2e=Cd–0,4022H2O+2e=H2+OH – (щелочные среды)–0,828
Mn 3+ +3e=Mn–0,283O2+2H2O+4e=4OH – (нейтральные и щелочные среды)0,401
Ni 2+ +2e=Ni–0,250 Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении+H2O+2e=ClO – +2OH – (щелочные среды)0,66
Mo 3+ +3e=Mo–0,200NO Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении+4H + +3e=NO+2H2O0,96
Sn 2+ +2e=Sn–0,136O2+4H + +4e=2H2O (кислоты)1,23
Pb 2+ +2e=Pb–0,126Cl2+2e=2Cl –1,36
Fe 3+ +3e=Fe–0,037H2O2+2H + +2e=2H2O1,78

Активность ионов в реакции диссоциации:

определяется как произведение концентрации данного иона на средний коэффициент активности:

где С+, С – моляльные концентрации соответствующих ионов в растворе, m и n – число катионов и анионов, на которые распадается молекула при диссоциации, f± — средний ионный коэффициент активности.

Для труднорастворимых веществ, например гидрооксидов металлов:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении, (4.16)

активность ионов металла:

Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

Пример 4.1. Рассчитать обратимый потенциал меди в 0,1 моляльном водном растворе СuSO4 при 298 К (средний ионный коэффициент активности ионов меди в данных условиях, Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении=0,15, берется по справочным данным).

Решение. 1) Окислительно-восстановительная электродная реакция меди: Сu 2+ + 2е Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииСu.

2) Обратимый потенциал меди находим по уравнению Hepнcтa: Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

3) Активность ионов меди: Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= с Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииn Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= =0,1 Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении1 Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении0,15 = 0,015, где: с – концентрация, n – количество ионов, переходящих в раствор. Активность твердых веществ всегда принимается равной единице: Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении=1.

4) Стандартный обратимый потенциал для реакции берем из справочных данных (табл.4.1). Подставляем полученные данные и определяем: Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииВ.

Пример 4.2. Найти обратимый потенциал кислородного электрода в нейтральном 1 m растворе Na2SO4 при 298 К в атмосфере воздуха.

Решение. 1) Кислород восстанавливается в катодном процессе по реакции: 2Н2О+О2+4е=4ОН Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении, обратимый потенциал которой по уравнению Нернста, с учетом данных по стандартному потенциалу реакции (табл.4.1) Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении.

2) Активность газа определяется его парциальным давлением. Парциальное давление кислорода в воздухе Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 0,21 атм.

3) Активность гидрооксил-ионов в нейтральном растворе определяется через ионное произведение воды, КВ= Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении= 1,01 . 10 -14 (для 298 К, значение берется по справочным данным). Отсюда Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении, поскольку рН=-lg Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давлении, и для нейтрального раствора равен 7.

4) Подставляем полученные значения в уравнение Нернста: Уравнение нернста для кислородного электрода при 298 и стандартном давленииВ.

Дата добавления: 2017-02-13 ; просмотров: 3895 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

📽️ Видео

ОВР часть 2. Окислительно-восстановительные реакции. Электродный потенциал.Скачать

ОВР часть 2. Окислительно-восстановительные реакции. Электродный потенциал.

Электродные потенциалы металлов. Электроды сравненияСкачать

Электродные потенциалы металлов. Электроды сравнения

Продукты в ОВР. Ч.2-1. Электродный потенциал металлов.Скачать

Продукты в ОВР. Ч.2-1. Электродный потенциал металлов.

Уравнение НернстаСкачать

Уравнение Нернста

Уравнение Нернста. Условия изменения направления ОВР. Продукты в ОВР. Ч.5-3.Скачать

Уравнение Нернста. Условия изменения направления ОВР. Продукты в ОВР. Ч.5-3.

Химические уравнения. СЕКРЕТНЫЙ СПОСОБ: Как составлять химические уравнения? Химия 8 классСкачать

Химические уравнения. СЕКРЕТНЫЙ СПОСОБ: Как составлять химические уравнения? Химия 8 класс

011 Электрохимия 4 уравнение НернстаСкачать

011 Электрохимия 4 уравнение Нернста

4 3 Электрохимический потенциалСкачать

4 3  Электрохимический потенциал

Химия 11 класс (Урок№8 - Химические источники тока. Ряд стандартных электродных потенциалов.)Скачать

Химия 11 класс (Урок№8 - Химические источники тока. Ряд стандартных электродных потенциалов.)

В чем отличие ЭДС, Напряжение, Потенциал, Падение НапряженияСкачать

В чем отличие ЭДС, Напряжение, Потенциал, Падение Напряжения

Химия. Лекция 6. Часть 1. Решение задач на электродные потенциалы и электропроводность растворов.Скачать

Химия. Лекция 6. Часть 1. Решение задач на электродные потенциалы и электропроводность растворов.

Задачи на гальванический элемент. Продукты в ОВР. Ч.5-4.Скачать

Задачи на гальванический элемент. Продукты в ОВР. Ч.5-4.

Электродный потенциал, ч 2Скачать

Электродный потенциал, ч 2

Химия 9 класс — Как определять Степень Окисления?Скачать

Химия 9 класс — Как определять Степень Окисления?

Физика 10 класс (Урок№20 - Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы.)Скачать

Физика 10 класс (Урок№20 - Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы.)

Уравнение состояния идеального газа. 10 класс.Скачать

Уравнение состояния идеального газа. 10 класс.
Поделиться или сохранить к себе: