Электрохимические процессы и системы

Уравнение Нернста:

,

где j_Me — электродный потенциал металла; j°_Me — стандартный электродный потенциал металла; R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура; n — число электронов, участвующих в реакции;
F = 96 485 Кл/моль — постоянная Фарадея; [Me ^{n +}] — молярная концентрация ионов металла.

Объединенный закон Фарадея:

,

где m — масса полученного в результате электролиза вещества, M — его молярная масса, I — сила тока, t — время, n — число электронов, участвующих в реакции, F — постоянная Фарадея.

9.1. Вычислите электродные потенциалы металлов, находящихся
в контакте с растворами их солей заданной концентрации, при 25°С:

9.1.1. Cu|CuCl2; [Cu^2+] = 0,75 М 9.1.2. Fe|FeSO4; [Fe^2+] = 0,01 M 9.1.3. Mn|MnSO4; [Mn^2+] = 0,1 М 9.1.4. Au|AuCl3; [Au^3+] = 0,1 М 9.1.5. Fe|FeCl3; [Fe^3+] = 0,04 М 9.1.11. Zn|Zn(NO3)2; [Zn^2+] = 0,05 М 9.1.12. Ni|NiSO4; [Ni^2+] = 0,3 М 9.1.13. Mg|MgCl2; [Mg^2+] = 0,8 M 9.1.14. Al|AlCl3; [Al^3+] = 0,06 M 9.1.15. Cr|Cr2(SO4)3; [Cr^3+]=5×10^–3М

9.1.6. Ag|AgNO3; [Ag^+] = 6×10^–4 М 9.1.7. Fe|FeSO4; [Fe^2+] = 0,7 М 9.1.8. Cu|CuSO4; [Cu^2+] = 0,03 М 9.1.9. Pb|Pb(NO3)2; [Pb^2+] = 0,5 M 9.1.10. Ag|AgNO3; [Ag^+] = 1,5 М 9.1.16. Cd|CdSO4, [Cd^2+] = 6·10^–3 М 9.1.17. Mg|MgSO4, [Mg^2+] = 0,04 М 9.1.18. Sn|Sn(NO3)2; [Sn^2+] = 2,5 М 9.1.19. Co|CoSO4; [Co^2+] = 0,7 М 9.1.20. Pd|PdSO4, [Pd^2+] = 0,06 М

9.2. Напишите уравнения электродных реакций на катоде и аноде и
вычислите ЭДС гальванических элементов при 25°С, для которых указаны концентрации ионов металла в растворах:

9.2.1. Sn|SnCl2||AgNO3|Ag [Sn^2+] = [Ag^+] = 0,05 M 9.2.2. Al|Al2(SO4)3||CuSO4|Cu [Al^3+] = [Cu^2+] = 0,1 M 9.2.3. Ni|NiSO4||PdSO4|Pd [Ni^2+] = 0,4 M; [Pb^2+] = 0,01 M 9.2.4. Zn|ZnCl2||AgNO3|Ag [Zn^2+] = [Ag^+] = 0,01 M 9.2.5. Zn|ZnCl2||CdCl2|Cd [Zn^2+]= 0,01 M; [Cd^2+]= 0,04 M 9.2.6. Sn|SnCl2||Pb(NO3)2|Pb [Sn^2+] = 0,001 M; [Pb^2+]= 0,1 M 9.2.7. Zn|ZnSO4||Cr(NO3)3|Cr [Zn^2+] = 0,1 M; [Cr^3+]= 0,005 M 9.2.8. Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu [Zn^2+] = 0,1 M; [Cu^2+] = 0,01 M 9.2.9. Cd|Cd(NO3)2||Hg(NO3)2|Hg[Cd^2+] = [Hg^2+] = 0,1 M 9.2.10. Mg|MgCl2||FeCl2|Fe [Mg^2+] = [Fe^2+] = 0,07 M

9.2.11. Mg|Mg(NO3)2||Pb(NO3)2|Pb [Mg^2+] = [Pb^2+] = 0,5 M 9.2.12. Co|CoSO4||NiSO4|Ni [Co^2+] = 0,1 M; [Ni^2+]=0,005 M 9.2.13. Pb|Pb(NO3)2||Cu(NO3)2|Cu [Pb^2+] = 0,5 M; [Cu^2+] = 0,03 M 9.2.14. Al|Al(NO3)3||AgNO3|Ag [Al^3+] = 2 M; [Ag] = 0,001 M 9.2.15. Cd|CdCl2||FeCl2|Fe [Cd^2+]=0,0001 M; [Fe^2+]=0,1 M 9.2.16. Fe|FeSO4||CuSO4|Cu [Fe^2+] = [Cu^2+] = 0,5 M 9.2.17. Cu|Cu(NO3)2||AgNO3|Ag [Cu^2+] = 0,1 M; [Ag^+] = 0,05 M 9.2.18. Ni|NiCl2||HCl|H2(Pt) [Ni^2+] = [H^+] = 0,3 M 9.2.19. Fe|FeCl2||SnCl2|Sn [Fe^2+] = 0,1 M; [Sn^2+] = 0,3 M 9.2.20. Cd|Cd(NO3)2||AgNO3|Ag [Cd2+]=0,5 M; [Ag+] = 0,02 M

9.3. Каковы катодные и анодные процессы (угольный анод)
при электролизе водного раствора, содержащего смесь солей:

9.3.1. FeCl2, Ni(NO3)2 9.3.2. CaBr2, NaBr 9.3.3. SnCl2, Co(NO3)2 9.3.4. MgSO4, ZnSO4 9.3.5. AgNO3, Sn(NO3)2 9.3.6. MgCl2, SnCl2 9.3.7. CuSO4, MgSO4 9.3.8. ZnCl2, MgCl2 9.3.9. MgCl2, CuSO4 9.3.10. CdCl2, Fe(NO3)2

9.3.11. NiCl2, MnSO4 9.3.12. MnCl2, Ni(NO3)2 9.3.13. MgCl2, Al2(SO4)3 9.3.14. NiSO4, MgCl2 9.3.15. AgNO3, Ni(NO3)2 9.3.16. CoCl2, Zn(NO3)2 9.3.17. ZnCl2, Cd(NO3)2 9.3.18. MgCl2, CuCl2 9.3.19. CuI, NaNO3 9.3.20. CaF2, MnF2

 

9.4. Напишите уравнения электродных процессов на катоде и аноде,
происходящих при электролизе раствора (или расплава) и вычислите массу вещества, выделившегося на катоде (обратите внимание на выход по току):

9.4.1. Через водный раствор Cr(NO₃)₃ пропускали в течение 10 минут постоянный ток силой 15 А (анод хромовый, выход металла по току — 30%)

9.4.2. Через водный раствор AgNO₃ пропускали в течение 15 минут постоянный ток силой 8 А (анод серебряный)

9.4.3. Через водный раствор CuSO₄ пропускали в течение 40 минут постоянный ток силой 1,8 А (анод графитовый)

9.4.4. Через водный раствор FeSO₄ пропускали в течение 1 часа постоянный ток силой 3 А (анод графитовый, выход металла по току — 50%)

9.4.5. Через расплав MgCl₂ пропускали в течение 30 минут постоянный ток силой 10 А (электроды графитовые)

9.4.6. Через расплав NaOH пропускали в течение 25 минут постоянный ток силой 3 А (анод графитовый)

9.4.7. Через водный раствор NaOH пропускали в течение 2 часов постоянный ток силой 2 А (электроды стальные)

9.4.8. Через водный раствор CuSO₄ пропускали в течение 5 минут постоянный ток силой 2 А (анод медный)

9.4.9. Через расплав AlCl₃ пропускали в течение 1 часа постоянный ток силой 100 А (электроды графитовые)

9.4.10. Через водный раствор NiSO₄ пропускали в течение 30 минут постоянный ток силой 2,5 А (анод никелевый, выход металла по току — 60%)

9.4.11. Через водный раствор AgNO₃ пропускали в течение 10 минут постоянный ток силой 5 А (анод серебряный)

9.4.12. Через водный раствор Na₂SO₄ пропускали в течение 20 минут постоянный ток силой 6 А (электроды стальные)

9.4.13. Через водный раствор CdSO₄ пропускали в течение 20 минут постоянный ток силой 2,5 А (анод кадмиевый, выход металла по току — 45%)

9.4.14. Через расплав CaCl₂ пропускали в течение 30 минут постоянный ток силой 10 А (электроды графитовые)

9.4.15. Через расплав MgCl₂ пропускали в течение 30 минут постоянный ток силой 3 А (анод графитовый)

9.4.16. Через водный раствор KNO₃ пропускали в течение 25 минут постоянный ток силой 3,5 А (анод графитовый)

9.4.17. Через водный раствор CaI₂ пропускали в течение часа постоянный ток силой 0,5 А (электроды графитовые)

9.4.18. Через расплав LiCl пропускали в течение 30 минут постоянный ток силой 2 А (электроды графитовые)

9.4.19. Через водный раствор SnCl₂ пропускали в течение 50 минут постоянный ток силой 1,8 А (анод оловянный, выход металла по току — 80%)

9.4.20. Через водный раствор LiOH пропускали в течение 45 минут постоянный ток силой 0,8 А (электроды стальные)

9.5. Напишите уравнения, отражающие анодный и катодный процессы при электрохимической коррозии в указанных ниже системах:

9.5.1. Оцинкованное железо в щелочной среде при нарушении целостности покрытия

9.5.2. Сплав хром-никель в кислой среде

9.5.3. Хромированное железо в морской воде при нарушении целостности покрытия

9.5.4. Луженое железо в воде при нарушении целостности покрытия

9.5.5. Луженая медь в растворе соляной кислоты при нарушении целостности покрытия

9.5.6. Луженое железо в растворе соляной кислоты при нарушении целостности покрытия

9.5.7. Сплав марганец-никель в кислой среде

9.5.8. Никелированное железо в морской воде при нарушении целостности покрытия

9.5.9. Кадмированное железо в кислой среде при нарушении целостности покрытия

9.5.10. Латунь (сплав меди с цинком) в кислой среде

9.5.11. Углеродистая сталь в кислой среде

9.5.12. Железо, контактирующее с магнием в щелочной среде

9.5.13. Интерметаллический сплав Mg₂Sn в кислой среде;

9.5.14. Алюминиевое изделие с медными заклепками во влажной атмосфере;

9.5.15. Стальной корпус корабля с магниевым протектором в морской воде;

9.5.16. Никелированное железо в растворе соляной кислоты при нарушении целостности покрытия

9.5.17. Оцинкованное железо в растворе соляной кислоты при нарушении целостности покрытия

9.5.18. Стальная нефтяная вышка с магниевым протектором в морской воде

9.5.19. Сталь, легированная хромом, в морской воде

9.5.20. Хромированное железо в кислой среде при нарушении целостности покрытия

Примеры решения типовых задач

1.3.3

x г		y г		1 г
2NaOH	+	H3PO4	=	Na2HPO4	+ 2H2O
80 г/моль		98 г/моль		142 г/моль

Для получения 142 г Na₂HPO₄ нужно взять 80 г NaOH;

для получения 1 г Na₂HPO₄ нужно взять x г NaOH:

, x = 80:142 = 0,56 (г).

Для получения 142 г Na₂HPO₄ нужно взять 98 г H₃PO₄;

для получения 1 г Na₂HPO₄ нужно взять y г H₃PO₄:

, y = 98:142 = 0,69(г).

Ответ. Для получения 1 г гидрофосфата натрия нужно взять 0,56 г гидроксида натрия и 0,69 г фосфорной кислоты.

2.3.2

Элемент	K	Mn	O
wm, %	39,67	27,87	32,46
Ar	39,10	54,94	16,00
wm: Ar	1,015	0,507	2,023
Целые кратные

Ответ. K₂MnO₄.

3.3.5

При составлении уравнений ядерных реакций соблюдается равенство суммы зарядов и массовых чисел в левой и правой частях уравнения. При этом заряд электрона учитывается со знаком минус, протона и позитрона — со знаком плюс. Нейтрон и гамма-квант заряда не имеют. Кроме того, массы электронов, позитронов и гамма-квантов не учитываются.

Сумма зарядов частиц в левой части уравнения: 92 + 0 = 92 (нейтрон заряда не имеет), значит, ядро нового элемента имеет заряд 92 – 56 = 36 (криптон). Сумма массовых чисел частиц в левой части уравнения: 235 + 1 =
= 236, значит, массовое число ядра криптона 236 – 139 – 3 = 94.

Ответ. .

4.4.9

Найдем при помощи справочных данных изменения энтальпии и энтропии реакции при стандартных условиях:

	2H2(г.)	+	O2(г.)		2H2O(г.)
D H °298, кДж/моль					–241,8
S °298, Дж/(моль×К)	130,5		205,0		188,7

D H (реакции) = 2×(–241,8) = –483,6 (кДж);

D S (реакции) = 2×188,7 – 2×130,5 – 205 = –88,6 (Дж/К);

T = D H /D S = 483600 / 88,6 = 5460 (K).

Ответ. 5460 К.

5.2.3

Используем правило Вант-Гоффа: . .

Ответ. Скорость реакции увеличится в 243 раза.

5.4.5

2NO₂ 2NO + O₂

Равновесная концентрация [NO] = 0,024 M, значит, равновесная концентрация кислорода в два раза меньше: [O₂] = 0,012 М.

0,192 (моль/л).

Учитывая, что стехиометрические коэффициенты перед NO₂ и NO одинаковы, [NO₂]₀ = 0,006 + 0,024 = 0,030 (моль/л).

Ответ. K_e = 0,192 моль/л, [NO₂]₀ = 0,030 М.

6.2.5

Масса полученного раствора m = 70 + 50 = 120 (г).

Масса растворенного вещества m ₂ = 0,40×70 + 0,15×50 = 35,5 (г).

Массовая доля растворенного вещества w_m = = 29,6%.

Масса растворителя m ₁ = 120 – 35,5 = 84,5 (г).

Моляльная концентрация (моль/кг).

Ответ. w_m = 29,6%; c_m = 12,4 моль/кг.

6.3.5

n₁ = 50/18 = 2,778 (моль); n₂ = 4,5/176 = 0,026 (моль);

.

Ответ. D P / P ₀ = 0,0093

7.4.9

Так как для сероводородной кислоты K_{a 1} = 10^–7, то используем приближенную запись закона разбавления Оствальда:

или 0,18%.

Ответ. a = 0,18%.

7.5.3

3Pb(NO₃)₂ + 2Na₃PO₄ = Pb₃(PO₄)₂¯ +6NaNO₃

3Pb²⁺ + 6NO₃^– + 6Na⁺ + 2PO₄^3– = Pb₃(PO₄)₂¯ + 6Na⁺ + 6NO₃^–

3Pb²⁺ + 2PO₄^3– = Pb₃(PO₄)₂¯

ПР = [Pb²⁺]³×[PO₄^3–]²

При смешении равных объемов растворов концентрация каждого из них уменьшается в два раза.

K’ = 0,00005³×0,00005²» 3×10^–22

K’ > ПР, значит, выпадает осадок.

Ответ. Выпадает осадок Pb₃(PO₄)₂.

А

Запишем стандартные восстановительные потенциалы электрохимических систем, участвующих в реакции:

Fe³⁺ + 2I^– Fe²⁺+I₂

Ок-ль Fe³⁺ + = Fe²⁺ j°₁ = 0,77 В;

Вост-ль I₂+ 2 =2I^– j°₂ = 0,54 В 2I^–‑ 2 = I₂ j°_вос = ‑0,54 В.

Поскольку j°_ок > j°_вос, то окислителем является ион Fe³⁺, а восстановителем — ион I^–, т.е. реакция протекает слева направо.

Ответ. В стандартных условиях указанная реакция протекает слева направо.

9.2.6

Найдем значения электродные потенциалов:

(В);

(В).

Т.к. j_Fe > j_Cd, то на аноде окисляется кадмий, на катоде восстанавливаются ионы железа.

Е = –0,47 – (–0,52) = 0,05 (В).

Ответ. Е = 0,05 В.

9.4.3

K(–): Mg²⁺ +2 = Mg;

A(+): 2Cl^– = Cl₂ + 2 .

Масса магния, выделившаяся на катоде:

(г).

Ответ. m = 2,27 г.

 

Примеры задач повышенной трудности

11.1

( Всероссийская олимпиада среди технических вузов, 1999 г.) Негашеную известь получают в шахтных печах, загружая в них шихту, состоящую из смеси угля с известняком. В каком соотношении следует смешать эти вещества, чтобы процесс протекал без подвода тепла извне? При расчете необходимо учесть, что потери теплоты составляют 40%.

11.2

(Всероссийская олимпиада среди технических вузов, 1999 г.) При коррозии железа, покрытого кадмием, в кислой среде работает гальванический элемент:

Fe | 0,1 М Fe²⁺, 1 М HCl | Cd

Определить, как изменится ЭДС гальванического элемента вследствие поляризации электродов, если концентрация ионов Fe²⁺ возросла до 0,15 моль/л и перенапряжение водорода составляет 0,08 В (j°(Fe²⁺/Fe) = –0,44 В). Написать процессы, происходящие на аноде и на катоде, показать характер поляризационных кривых.

11.3

(олимпиада КГТУ, 1999 г.) Ученые обнаружили параллельную Вселенную, в которой некоторые физические законы отличаются от нашей Вселенной. Так, там выполняются принцип запрета Паули, правила Гунда и Клечковского, но электроны подчиняются следующим ограничениям на квантовые числа:

n > 0; l = 0, 1, …, (n – 1); m = +1 или –1; s = +1/2 или –1/2.

Какие порядковые номера имеют в параллельной Вселенной первые два «инертных газа»?

11.4

(олимпиада КГТУ, 1999 г.) Граната Ф1 состоит из оболочки массой 300 г и заряда тринитротолуола (C₇H₅N₃O₆) массой 80 г. Теплота взрыва ТНТ составляет 4190 кДж/кг, взрыв происходит без доступа воздуха. В кинетическую энергию осколков (средняя масса осколка 10 г) переходит 0,1% энергии взрыва.

Запишите уравнения реакций взрыва и горения ТНТ. На какую максимальную высоту поднимется осколок, если он взлетает вертикально, а сопротивление воздуха пренебрежимо мало?

 

11.5

(Республиканская олимпиада школьников, 1998 г.) Д.И. Менделеевым была предложена формула для расчета теплового эффекта сгорания угольного и нефтяного топлива:

Q^p = 81×C + 246×H – 26(O – S) [ккал/кг],

где Q^p — удельная рабочая теплота сгорания теплота топлива, определенная при условии, что вода, образовавшаяся при сгорании топлива и влага, содержавшаяся в топливе, полностью сконденсированы, С — массовая доля углерода в топливе (выраженная в %), Н — массовая доля водорода, О — массовая доля кислорода, S — массовая доля серы.

а. Используя формулу Менделеева, рассчитайте удельную рабочую теплоту сгорания эталонной смеси, соответствующей бензину с октановым числом 92 (плотность смеси, а также плотности ее компонентов равны 0,69 г/см³).

б. Расчет по формуле Менделеева менее точен, чем расчет теплоты реакции по термохимическим уравнениям, однако в промышленности она используется до сих пор. Объясните, почему.

11.6

(Соросовская олимпиада школьников, 1999 г.) Соединение X, образованное элементами № 1 и 7, реагирует с соединением Y, образованным элементами № 7 и 8.

1. Напишите возможные уравнения реакций (не более 5).

2. Какая пара X–Y больше всего подходит для использования в качестве ракетного топлива? Обоснуйте Ваш ответ.

 

Литература

1. Дикерсон Р., Грей Г., Хейт Дж. Основные законы химии. В 2-х т. —
М.: Мир, 1982. — Т. 1. 652 с.; Т. 2. 620 с.

2. Зайцев О.С. Общая химия. Состояние веществ и химические реакции. — М.: Химия, 1990. — 352 с.

3. Общая химия // под ред. Е.М. Соколовской, Г.Д. Вовченко, Л.С. Гузея. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. — 726 с.

4. Коровин Н.В. Курс общей химии — М.: Высш. шк., 2003.-557 с.

5. Харин А.Н., Катаева Н.А., Харина Л.Т. Курс химии — М.: Высш. шк., 1983. — 511 с.

6. Лучинский Г.П. Курс химии — М.: Высш. шк., 1985. — 416 с.

7. Фролов В.В. Химия — М.: Высш. шк., 1986. — 540 с.

8. Курс химии / Под ред. Г.А.Дмитриева, Г.П. Лучинского, В.И. Семишина. — 2-е изд., испр. — Т. 1. — М.: Высш. шк., 1972. — 309 с.

9. Курс химии / Под ред. И.В. Кротова и К.А.Дулицкой — Т. 2. — М.: Высш. шк., 1971. — 208 с.

10. Глинка Н.Л. Общая химия. — Л.: Химия, 1986. — 703 с.

11. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. — Л.: Химия, 1983. —
264 с.

12. Справочник химика, Т. 1–6. — Л: Химия, 1963–1967 гг.

13. Химическая энциклопедия. Т. 1–5. – М.: Сов. энциклопедия, 1969–1971 гг.

14. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии — Киев: Наукова думка, 1974. — 992 с.

15. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии — М.: Химия, 1971. — 456 с.

16. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. — М.: Мир, 1976. — 544 с.

17. Рябин В.А. Термодинамические свойства веществ: Справочник —
Л: Химия, 1977. — 389 с.

18. Химия: Справочное руководство. // Пер. с нем. — Л: Химия, 1975. —
576 с.

19. Мини-справочник по общей химии. — Казань: Экоцентр, 1997. — 54 с.

20. Практикум по общей химии // под ред. А.Н. Глебова — Казань: Экоцентр, 2003 — 88 с.

21. Курс лекций по общей химии // под ред. редакцией проф. А.Н. Глебова. – 3-е изд., перераб. и доп. – Казань: «Экоцентр», 2005. — 134 с.

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Основные классы неорганических соединений
2. Основные законы химии
3. Строение атома и химическая связь
4. Химическая термодинамика
5. Химическая кинетика и равновесие
6. Растворы
7. Теория электролитической диссоциации
8. Окислительно-восстановительные реакции
9. Электрохимические процессы и системы
10. Примеры решения типовых задач
11. Примеры задач повышенной трудности
Литература

 

 

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

 

Сборник контрольных работ по курсу общей химии: Учебное пособие для студентов всех форм обучения/Под редакцией проф. А.Н. Глебова. – 3-е изд., перераб. и доп. – Казань: «Экоцентр», 2006. – 44 стр.

 

 

Издательство «Экоцентр»

Лицензия Минпечати РТ № 0307 от 8.06.2000

Без объявл. – 2006

Отпечатано с готового оригинал-макета. Печать RISO.

Бумага офсет 1. Формат 60*84 1/16.

Объем 2,75 п.л. Тираж 500 экз. Заказ 4.

Отпечатано на полиграфическом участке издательства «Экоцентр»

г. Казань, ул. Четаева, 18.