Электрохимические процессы

Если металлическую пластинку опустить в воду, то катионы металла на ее поверхности гидратируются полярными молекулами воды и переходят в жидкость. При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, разряжают его поверхностный слой отрицательно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла. В результате этого в системе устанавливается подвижное равновесие:

Me + т Н₂О ↔Ме (Н₂О) ^п_т⁺ + пе ^-

где п ^– число электронов, принимающих участие в процессе.

На границе металл — жидкость возникает двойной электрический слой, характеризующийся определенным скачком потенциала — электродным потенциалом. Абсолютные значения электродных потенциалов измерить не удается. Электродные потенциалы зависят от ряда факторов (природы металла, концентрации, температуры и др.). Поэтому обычно определяют относительные электродные потенциалы в определенных условиях — так называемые стандартные электродные потенциалы (Е°).

Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью), равной 1 моль/л,измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25°С условно принимается равным нулю (Е° = 0; ∆ G° = 0).

Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов (Е°), получаем ряд стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений).

Положение того или иного металла в ряду стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений) характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях. Чем меньше значение Е°, тем большими восстановительными способностями обладает данный металл в виде простого вещества и тем меньшие окислительные способности проявляют его ионы, и наоборот. Электродные потенциалы измеряют приборами, которые называют гальваническими элементами. Окислительно-восстановительная реакция, которая характеризует работу гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС элемента имеет положительное значение.

Пример. Составьте схему гальванического элемента, и котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной концентрацией 0,1 моль/л. Какой металл является анодом, какой катодом? Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его ЭДС.

Решение. Схема данного гальванического элемента

(-) Mg | Mg²⁺ || Zn²⁺ | Zn (+)

Вертикальная линейка обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две линейки — границу раздела двух 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:

Mg° - 2e^- = Mg²⁺ (1)

Цинк, потенциал которого -0,763В, — катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Zn²⁺ + 2e^- = Zn° (2)

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:

Mg+ Zn²⁺ = Mg²⁺ + Zn

Электродный потенциал металла (Е)зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

,

где Е° — стандартный электродный потенциал; п — число электронов, принимающих участие в процессе; С— концентрация (при точных вычислениях — активность) гидратированных ионов металла в растворе, моль/л; Е° — для магния и цинка соответственно равны -2,37 В -0,763 В. Определим электродные потенциалы этих металлов при заданных концентрациях:

Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода.

ЭДС = Е (Zn²⁺ /Zn) – E (Mg²⁺ /Mg) = -0,79 – (-2,40) = 1,61 В.

Для заданий 45 - 55 составьте схему, напишите уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из двух металлов, опущенных в 0,1 М раствор нитратов этих металлов, если металлы:

45. Серебро и медь. 46. Медь и магний. 47.Хром и медь. 48. Никель и цинк. 49. Серебро и хром. 50. Магний и железо. 51. Олово и серебро. 52. Свинец и кобальт. 53. Олово и цинк. 54. Железо и никель. 55. Серебро и олово.

Контрольные задания №6