lk13el_khim_potents_GE (1154117)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

две группы электрохимических систем:

Ионный проводник - раствор, расплав или твердый электролит (проводник II рода).

Электроды - металлические или полупроводниковые материалы (проводник I рода).

М Н Е М О Н И Ч Е С К О Е П Р А В И Л О:

АНОД - ОКИСЛЕНИЕ – ОТДАЧА ЭЛЕКТРОНОВ А - О – О

КАТОД – ВОССТАНОВЛЕНИЕ – ПРИЕМ ЭЛЕКТРОНОВ К – В -П

1833г. англ. и уч. М.Фарадей

k – электрохимический эквивалент;

q = I τ - количество электричества, Кл;

I - сила тока, прошедшего через систему, А;

τ – время протекания процесса, с (час);

m1/m2 = M_Э1/М_Э2 m1/M_Э1 = m2/M_Э2

_Э1 моль экв.= _Э2 моль экв.

► М_Э , V_{Э (газ)} - F

пропорция ►

► m , V _(газ) - q = I ^. τ ^. η

η - выход по току – доля количества электричества, пошедшего на данный процесс по отношению к суммарному количеству электричества, прошедшему через электрод.

η = q / ∑q

►для массы вещества:

М_Э – молярная масса эквивалента вещества: г/моль

n – число электронов, участвующих в процессе

►- для объема газообразных веществ:

V_Э – объем моль-эквивалента газа:

л/моль

При (н.у.) объем 1 моля газа - _m = 22,4 л/моль

► Задача: Идет процесс восстановления ионов меди:

Cu²⁺ + 2e → Cu

Какое время τ понадобится для получения массы меди m_Cu = 63,54 г при силе тока I =20 A, выход по току η= 100%.

Решение:

Молярная масса эквивалента меди:

М_Э = М/2 = 31,77 г/моль.

Пропорция по закону Фарадея:

М_{Э Сu} = 31,77г/моль - F = 26,8 А^. час

m_Cu = 63,54 г - q = I ^. τ ^. η

τ = 63,54 ^. 26,8 / 31,77 ^. 20 = 2,7 час.

► Задача: Идет процесс выделения кислорода:

2Н₂О - 4e → О₂ + 4Н⁺

Какое количество электричества q понадобится для получения 2,8 л О₂ , (н.у.)? Выход по току η= 70%.

Решение:

Объем 1 моль-экв. кислорода: V_Э = 22,4/4 = 5,6 л/моль.

Пропорция по закону Фарадея:

V_{Э О2} = 5,6 л/моль - F = 26,8 А^. час

V _О2 = 2,8 л - q ^. η

q = 2,8 ^. 26,8 / 5,6 ^. 0,7 = 19,38 А^. час.

Металл Ме погружен в раствор

собственных ионов Меⁿ⁺.

На границе раздела электрод - ионный проводник:

Ме: Меⁿ⁺nе  Меⁿ⁺ + nе

а) Ме + mН₂О  Меⁿ⁺ (Н₂О)_m+ ne

Ме

раствор Ме

б) диффузия Меⁿ⁺ в раствор;

в) образуется двойной

электрический слой

на Ме (-), в растворе (+);

г) на границе Ме – раствор

возникает

скачок потенциалов:

(₂- ₁) = Е _Меⁿ⁺_/Ме

- электродный потенциал;

Знак потенциала – заряд на Ме

д) устанавливается равновесие:

Ме + mН₂О  Меⁿ⁺  (Н₂О)_m + ne

_{выхода Ме}ⁿ⁺ = _{адсорб Ме}ⁿ⁺

- возникает ► равновесный .

. электродный .

. потенциал :

. Е ^р _Меⁿ⁺_/Ме , [В] _.

► активные Ме (Fe, Zn)  переход ионов в раствор

 (- Е ^р _Меⁿ⁺_/Ме ):

Ме  Меⁿ⁺ + ne

► неактивные Ме (Cu, Ag)  адсорбция ионов из раствора  (+Е ^р _Меⁿ⁺_/Ме ):

Меⁿ⁺ + ne  Ме

► благородные Ме (Au, Pt)  разность потенциалов возникает за счет адсорбции молекул газа  газовые электроды, например:

Водородный электрод

Н⁺_р-р / Н₂;Pt

окисленная восстановленная

форма форма

Pt /Pt: адсорбция Н₂

H₂ на границе Ме - раствор:

потенциалопределяющая

реакция:

2Н⁺ + 2е  Н₂ ; Е^р _Н+/Н2

H⁺

H₂

Условно считают при стандартном состоянии:

Е⁰_Н+/Н2 = 0 В

р_Н2 = 1 (10 ⁵ Па) │

► а_Н+ = 1моль/л }(с.с.)

│

и Т = 298 К

►Абсолютное значение электродного потенциала определить нельзя.  измеряют относительные значения электродных потенциалов - относительно электрода сравнения, потенциал которого известен, например, Е⁰_Н+/Н2 = 0 В.

Кислородный электрод

О₂,Pt / ОН^-_р-р

окисленная восстановленная

форма форма

На границе Ме-раствор:

потенциалопределяющая реакция:

О₂ + 2Н₂О + 4е  4ОН^- , Е^р _О2/ОН-;

при с.с. Е⁰ _О2/ОН- = + 0,401 В

Примеры: Е ^р_Н+/Н2 Е ^р_Pb+2/Pb Е ⁰_О2/ОН- Е ⁰_Cl2/Cl-

потенциалопределяющая реакция: Ox + ne  Red

!

R – универсальная газовая постоянная, 8,31Дж/моль^.К

n – число электронов, принимающих участие в реакции

F – число Фарадея, 96500 Кл/моль

T – температура, К.

Уравнения Нернста:

► для металлических электродов:

потенциалопределяющая реакция:

Mе_(р-р)ⁿ⁺ + n Mе_(к).

Для Т = 298 К и переходя к десятичному логарифму:

► для водородного электрода:

потенциалопределяющая реакция: 2Н⁺ + 2е Н₂

т.к. , , при Т = 298 К 

при 

► для кислородного электрода:

потенциалопределяющая реакция:

О₂ + 4 + 2Н₂О 4ОН^–

т.к. В ,

при Т = 298 К 

при



► для газового (хлорного) электрода:

потенциалопределяющая реакция:

Cl₂ + 2 2Cl^–

химическая энергия 

в электрическую энергию

СХЕМА ГЭ

1 - электроды: катод К ⁺ , анод А^- ;

2 - растворы электролита;

3 - диафрагма, проницаемая для ионов;

4 - внешняя цепь (металлические проводники).

▼ В отсутствии тока (разомкнутая цепь) 

равновесие на границе Ме-раствор, Е ^р _Меⁿ⁺_/Ме :

Mе_1(р-р)ⁿ⁺ + n Mе_1(к), Е ^р _Ме1ⁿ⁺_/Ме

Mе_2(р-р)ⁿ⁺ + n Mе_2(к), Е ^р _Ме2ⁿ⁺_/Ме

Если:

► Е ^р _Ме1ⁿ⁺_/Ме более отрицательный  Ме1 - анод

Е ^р _Ме2ⁿ⁺_/Ме более положительный  Ме2 - катод :

Окислительно-восстановительная реакция

обусловлена перераспределением электронов

► gghb

►стандартная ЭДС ГЭ: (I = 0)

▼ При замыкании цепи  равновесие нарушается:

во внешней цепи возникает самопроизвольное

направленное движение электронов от А к К

А: Mе_1(к)  Mе_1(р-р)ⁿ⁺ + n , Е ⁱ_А

К: Mе_2(р-р)ⁿ⁺ + n  Mе_2(к), Е ⁱ_К

Mе_1(к) + Mе_2(р-р)ⁿ⁺ + n  Mе_1(р-р)ⁿ⁺ + n + Mе_2(к) 

Уравнение токообразующей реакции:

ТОР : Mе_1(к) + Mе_2(р-р)ⁿ⁺  Mе_1(р-р)ⁿ⁺ + Mе_2(к)

При разомкнутой цепи  равновесие:

Zn²⁺ + 2e Zn , Е⁰_Zn²⁺_/Zn = - 0,763 B

Cu²⁺ + 2e Cu , Е⁰_Cu²⁺_/Cu = + 0,337 B

K

Е_Э = (Е_К – Е_А)  0  Е_К  Е_А  Cu²⁺/Cu –

A

Zn²⁺/Zn –

Цепь замкнута:

А: Zn → Zn²⁺ + 2e -окисление

К: Cu²⁺ + 2e → Cu -восстановление

ТОР: Zn + Сu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

е

Форма записи ГЭ: ZnZnSO₄ CuSO₄ Cu

ионы

Стандартная ЭДС ГЭ:

Е ⁰ _Э = Е ⁰_Cu²⁺_/Cu – Е ⁰_Zn²⁺_/Zn = 0,337 – (-0,763) = 1,1 B

( при с.с. , а _Cu²⁺ = а _Zn²⁺ = 1 моль/л)

И

-G_ТОР = А_{max электр.}

сточник электрического тока  энергия Гиббса ТОР:

А_max = nFE_Э

Работа ГЭ отнесенная к 1молю Ме:

nF - количество электричества, прошедшее через цепь, Кл;

Е_Э – ЭДС, В;

n - число моль электронов.

G_ТОР = - nFE_Э

При обратимом процессе

(р,Т = cоnst):  ►

Пусть ТОР в ГЭ: 2А + В 3D + K

Если данный ГЭ работает при

Стандартном состоянии, а_ионов =1 моль/л:

G ⁰ _ТОР = - n^.F^.E ⁰_Э

Если данный ГЭ работает при

нестандартном состоянии , а_ионов ≠ 1 моль/л:

G_ТОР = G ⁰ _ТОР + RT ^. ln = - n^.F ^.E_Э

Е_Э = ƒ (а _ионов, р _газов ) ►

Е _Э = -

Е⁰_Э

►►►►

G⁰ _ТОР = - RT lnK_р 

где K_р - константа равновесия ТОР

Уравнение Гиббса-Гемгольца:

В энергетических единицах:

G_ТОР = Н + Т( )

В электрических единицах:

nFE_Э = - Н + nFТ

В результате:

Е_Э = 

или

- температурный коэффициент, [В/К].

Выводы

если: ► S_ТОР > 0: ↑ Т  ↑ Е _Э

► S_ТОР < 0: ↑ Т  ↓ Е _Э

►  0  А_ЭЛ  энергии ТОР 

эл/хим. система отдает теплоту в окружающую среду или нагревается в условиях тепловой изоляции.

↑ Т  ↓ Е _Э

Цепь: Pb, PbCl₂Cl^-AgCl, Ag; = - 1,8610^-4 В/К

►  0  А_ЭЛ  энергии ТОР 

эл/хим. система заимствует теплоту из окружающей среды или охлаждается в условиях тепловой изоляции. ↑ Т  ↑ Е _Э

Цепь: PbPb(CH₃COO)₂Cu(CH₃COO)₂Cu; =3,8510^-4 В/К

► Электрод -эталон – элемент Вестона:

(Hg)CdCdSO₄Hg₂SO₄,Hg; 0

↑ ↓ Т  не изменяет Е _Э

► Задача.

Рассчитать А_max и Н для ГЭ Вестона в котором:

Т К Е_Э, В

293 1,01830

298 1,01807

Решение:

Hg₂SO₄ + Cd + 8/3Н₂О  CdSO₄8/3Н₂О + 2Hg_ж

-2е

+2е

А_max = nFE_Э = 2965001,0183 = 1,96310⁵ Дж/моль

= В/К

=

= 296500( - 4,610^-5293 - 1,0183)

 Н = - 1,99110⁵Дж/моль

► Задача.

Напишите катодные и анодные процессы Zn/Ag ГЭ, рассчитайте Е⁰_Э при Т = 298 К и Е_Э при aктивностях ионов Zn²⁺ и Ag⁺ равных:

а _Zn2+ = а _Ag+ = 0,01 моль/л.

Решение.

Из таблицы: В, В.

Т.к.  Ag – катод, Zn – анод.

А : Zn  Zn⁺² + 2e

K: Ag⁺ + e  Ag 2

ТОР: Zn + 2Ag⁺  Zn⁺² + 2Ag

● =0,799 – (– 0,763)= 1,562 В

● B.

уравнение Нернста:

● В

● B

● В.

Е_Э = 1,503 В  Е_Э⁰  Е_Э

Или так: ●

ю

Пример. Гальванический элемент Н₂ / О₂

При стандартном состоянии (с.с.):

Е⁰ _Н+/Н2 = 0,0 В - анод

Е⁰ _О2/ОН– = 0,401 В - катод

А : Н₂  2Н⁺ + 2e 2

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций