русс | укр

Языки программирования

ПаскальСиАссемблерJavaMatlabPhpHtmlJavaScriptCSSC#DelphiТурбо Пролог

Компьютерные сетиСистемное программное обеспечениеИнформационные технологииПрограммирование

Все о программировании


Linux Unix Алгоритмические языки Аналоговые и гибридные вычислительные устройства Архитектура микроконтроллеров Введение в разработку распределенных информационных систем Введение в численные методы Дискретная математика Информационное обслуживание пользователей Информация и моделирование в управлении производством Компьютерная графика Математическое и компьютерное моделирование Моделирование Нейрокомпьютеры Проектирование программ диагностики компьютерных систем и сетей Проектирование системных программ Системы счисления Теория статистики Теория оптимизации Уроки AutoCAD 3D Уроки базы данных Access Уроки Orcad Цифровые автоматы Шпаргалки по компьютеру Шпаргалки по программированию Экспертные системы Элементы теории информации

Окислительно-восстановительные электроды.


Дата добавления: 2013-12-23; просмотров: 4895; Нарушение авторских прав


Эти электроды представляют собой пластинку или проволоку из благородного металла (чаще всего платины), погруженную в раствор, содержащий ионы одного элемента в разной степени окисления. Например: Pt/Fe3+,Fe2+; Pt/Sn4+,Sn2+

На поверхности платины происходит обмен электронами между ионами и устанавливаются равновесия:

Fe2+ - e « Fe3+

Sn2+ - 2e « Sn4+

Платина в этих равновесиях не участвует и играет роль переносчика электронов. Величина потенциала может быть рассчитана по уравнению Нернста:

(3.20.)

В этом уравнении

– окислительно-восстановительный потенциал;

– стандартный окислительно - восстановительный потенциал;

z – число электронов, участвующих в электродной реакции (для данной системы z = 2);

сок.и свосст.–концентрация ионов в высшей и низшей степени окисления.

Из уравнения следует, что

стандартный окислительно-восстановительный потенциал - это потенциал электрода при сок.= свосст.= 1.

Величина стандартного окислительно-восстановительного потенциала характеризует свойства окислителей и восстановителей, а именно:

чем выше j°, тем более сильным окислителем являются ионы в высшей степени окисления;

чем ниже j°, тем более сильным восстановителем являются ионы в низшей степени окисления.

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы некоторых систем приведены в таблицах.

Сравнивая значения j°, можно сделать вывод,что ион MnO4- является более сильным окислителем, чем Fe3+, в то же время Sn2+ - более сильный восстановитель, чем Fe2+. Располагая величинами , можно предсказать, какие окислительно-восстановительные реакции могут протекать самопроизвольно. Принцип, сформулированный ранее для реакций замещения, применим к любым окислительно-восстановительным реакциям. Так, реакция:

Fe3+ + Sn2+ = Fe2+ + Sn4+

может протекать самопроизвольно. Реакция:



Tl+ + 2Fe3+ = Tl3+ + 2Fe2+

в прямом направлении протекать не может.

Ионообменные электроды

Ионообменный электрод представляет собой мембрану, в которой находятся ионы, способные обмениваться с ионами, содержащимися в растворе. Предположим, что мембрана содержит ионы М+, а в растворе есть ионы Р+. В результате ионообменного процесса устанавливается равновесие:

Мм+ + Рр+ « Мр+ + Рм+

Индекс "м" указывает, что соответствующий ион находится в мембране, а "р" указывает на содержание в растворе. В результате установления равновесия на поверхности раздела мембрана–раствор возникает двойной электрический слой и определенный скачок потенциала. Величина потенциала зависит от концентрации соответствующих ионов в растворе. Важнейшим среди электродов этого типа является стеклянный электрод. Он представляет собой тонкостенную колбочку из специального стекла с впаянной в нее серебряной проволочкой. Электрод заполнен насыщенным раствором хлорида серебра в соляной кислоте 0,1 моль/дм3. На поверхности электрода устанавливается потенциал, величина которого пропорциональна рН раствора. Стеклянный электрод используется с паре с электродом сравнения, например, с хлорсеребряным электродом.

В настоящее время существует множество ионообменных электродов, каждый из которых избирательно реагирует на концентрацию в растворе определенного вида ионов (катионы металлов, анионы Cl-, Br-, NO3-, NO2-, и др.). Такие электроды называются ионоселективными.

Гальванические элементы

Гальванический элемент представляет собой электрохимическую систему, состоящую из двух электродов (любого типа), растворы которых соединены с помощью солевого мостика. Рассмотрим гальванический элемент, состоящий из двух электродов первого рода: цинкового и медного. На рис.3.5. представлена схема такого элемента.

Растворы сульфатов цинка и меди соединены между собой солевым мостиком - стеклянной трубкой, заполненной раствором хлорида калия.

Солевой мостик препятствует смешиванию растворов, проводит электрический ток. Пока цепь разомкнута на каждом из электродов существуют рассмотренные уже нами равновесия:

Zn - 2e «Zn2+

Cu - 2e « Cu2+

Поскольку цинк является металлом более активным, чем медь первое равновесие по сравнению со вторым смещено вправо, следовательно, на цинковом электроде имеется избыток электронов.

e – KCl + Zn Cu     Zn2+ Cu2+   SO42- ZnSO4 CuSO4     Рис. 3.5. Схема элемента Якоби-Даниэля

 

Соединим металлические пластины проводником. Электроны будут перемещаться с цинковой пластины на медную - в цепи пойдет электрический ток, равновесие на электродах нарушится. В соответствии с принципом Ле-Шателье на электродах начнутся процессы, способствующие восстановлению равновесия (т.е. появлению на цинковом электроде избытка электронов):

(-) Zn - 2e ® Zn2+

(+) Cu2++ 2e ® Cu

Поскольку цепь замкнута, избыточные электроны будут перетекать на медную пластину и т.д. До тех пор пока цепь будет замкнута, цинковая пластина будет растворяться, на медной будет осаждаться металлическая медь. Равновесие на электродах не установится, в цепи будет протекать ток. Просуммируем процессы, протекающие на электродах в замкнутом гальваническом элементе:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu или

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Суммарная электрохимическая реакция называется токообразующей. Обобщая сказанное, можно сформулировать правило:

В любом замкнутом гальваническом элементе на отрицательном электроде, называемом анодом, происходит окисление, а на положительном электроде - катоде – восстановление.

Рассмотренный гальванический элемент называется элементом Даниэля-Якоби. В 19 веке он широко использовался в качестве источника постоянного тока. Сокращенное обозначение элемента Даниэля - Якоби: Zn/ZnSO4 // CuSO4/Cu. Подобным образом обозначают любые гальванические элементы. При этом следует помнить, что слева принято указывать электрод с более отрицательным потенциалом.

Итак, гальванический элемент - это система, в которой происходит самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция (DG<0), энергия которой превращается в электрическую энергию.

Следует отметить, что химическую реакцию, протекающую в элементе Даниэля-Якоби, можно осуществить просто: для этого достаточно в стакан с раствором сульфата меди погрузить цинковую пластинку. В гальваническом элементе восстановитель (цинк) и окислитель (ионы Cu2+) пространственно разделены, электроны переходят от восстановителя к окислителю по проводнику - в цепи протекает постоянный электрический ток. Рассмотрим примеры других гальванических элементов:

Пример 1. (Pt) H2/H2SO4 // CuSO4/Cu

В согласии с правилом, сформулированным выше, в этом элементе протекают процессы: (-) Н2 - 2е ® 2Н+

(+) Cu2+ + 2e ® Cu

H2 + Cu2+ = 2H+ + Cu

Токообразующая реакция: Н2 + CuSO4 = H2SO4 + Cu

Пример 2. Pt/Sn(SO4)2,SnSO4 // Fe2(SO4)3,FeSO4/Pt

(-) Sn2+ - 2e ® Sn4+

(+) 2Fe3+ + 2e ® 2Fe2+

Sn2+ + 2Fe3+ = Sn4+ + 2Fe2+

Токообразующая реакция: SnSO4 + Fe2(SO4)3 = Sn(SO4)2 + 2FeSO4

Электродвижущая сила, ее расчет

Электродвижущей силой (э.д.с.) Е называется разность электродных потенциалов в разомкнутом гальваническом элементе. э.д.с. всегда является величиной положительной.

Чтобы рассчитать величину э.д.с. необходимо вычислить по уравнению Нернста потенциалы обоих электродов и вычесть из потенциала положительного электрода величину более отрицательного потенциала:

Е = j+ - j- (3.21.)

Приведем примеры расчета э.д.с. для двух гальванических элементов, рассмотренных в предыдущем параграфе.

Пример 1. Пусть концентрация ионов меди в растворе сульфата меди равна 1 10-2 моль/дм-3, а рН раствора серной кислоты равен трем. Тогда,

j(Cu2+,Cu) = +0,34 + 0,059/2 lg10-2 = 0,34 - 0,059 = 0,281 B

j(H+,H) = -0,059 pH = - 0,059×3 = - 0,177 B

E = 0,281 - (-0,177) = 0,458 B

Пример 2. Предположим,что С(Sn4+) =0,05 моль/дм3;

С(Sn2+) =0,005 моль/дм3

С(Fe3+) =0,002 моль/дм3;С(Fe2+) =0,02 моль/дм3

По таблице стандартных окислительно-восстановительных потенциалов находим:

j°(Fe3+,Fe2+) = +0,77 B j°(Sn4+,Sn2+) = + 0,15 B

j(Fe3+,Fe2+) = 0,77 + (0,059/1) lg(0,002/0,02) = 0,77 - 0,059 = 0,711 В

j(Sn4+,Sn2+) = 0,15 + (0,059/2) lg(0,05/0,005) = 0,15 + 0,029 = 0,179 В

Е = 0,711 - 0,179 = 0,532 В

Концентрационные элементы

Составим гальванический элемент из двух серебряных пластинок, погруженных в растворы нитрата серебра разных концентраций c1 и c2.

Ag/AgNO3 // AgNO3/Ag ; с1 < с2

с1 с2

Такой элемент называется концентрационным, т.к. его э.д.с. обусловлена только разностью концентраций ионов Ag+ в растворах. По уравнению Нернста:

j¢(Ag+,Ag) = j°(Ag+,Ag) + 0,059 lg c1

j¢¢(Ag+,Ag) = j°(Ag+,Ag) + 0,059 lg c2

E = j¢¢(Ag+,Ag) – j¢(Ag+,Ag) = 0,059 lg c2/c1 (3.22.)

При работе этого элемента протекают следующие процессы:

(-) Ag - e ® Ag+

(+) Ag++ e ® Ag0

Таким образом, концентрация первого раствора с1 будет постепенно увеличиваться, а второго раствора с2 – уменьшаться. По уравнению (3.22.) э.д.с. будет уменьшаться. Через некоторое время концентрации с1 и с2 станут одинаковыми, а э.д.с. – равной нулю.



<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Измерение электродных потенциалов. Ряд напряжений. | Измерение электродвижущей силы


Карта сайта Карта сайта укр


Уроки php mysql Программирование

Онлайн система счисления Калькулятор онлайн обычный Инженерный калькулятор онлайн Замена русских букв на английские для вебмастеров Замена русских букв на английские

Аппаратное и программное обеспечение Графика и компьютерная сфера Интегрированная геоинформационная система Интернет Компьютер Комплектующие компьютера Лекции Методы и средства измерений неэлектрических величин Обслуживание компьютерных и периферийных устройств Операционные системы Параллельное программирование Проектирование электронных средств Периферийные устройства Полезные ресурсы для программистов Программы для программистов Статьи для программистов Cтруктура и организация данных


 


Не нашли то, что искали? Google вам в помощь!

 
 

© life-prog.ru При использовании материалов прямая ссылка на сайт обязательна.

Генерация страницы за: 0.008 сек.