Коррозионные процессы. Составление гальванического элемента, страница 2

Е = Е⁰(катода) - E⁰(анода)

По справочнику подберём металлы, разность значений стандартных электродных потенциалов которых составляет 1,05 В.

Это, например, свинец, и марганец: 

E⁰(Pb²⁺|Pb) = - 0,13 B; E⁰(Mn²⁺|Mn) = - 1,18 B

Марганец, как более активный металл, является анодом, а менее активный свинец – катодом.

Стандартная ЭДС данного элемента равна:

Е = E⁰(Pb²⁺|Pb) - E⁰(Mn²⁺|Mn) = - 0,13 В – (- 1,18 В) = 1,05 В

По таблице растворимости подбираем анион для растворов окислителя и восстановителя. Например, нитрат-анион: нитрат свинца и нитрат марганца – сильные электролиты и в водном растворе диссоциируют на ионы.

Итак, схема свинцово-марганцевого гальванического элемента:

Mn | Mn(NO₃)₂|| Pb(NO₃)₂ | Pb

E⁰(Mn²⁺|Mn) < E⁰(Pb²⁺|Pb), значит, марганец отдает электроны, т.е. окисляется, легче, чем свинец.

При замыкании электрохимической цепи:

  на марганцевом электроде (аноде) происходит окисление металла:

Mn – 2e^- = Mn²⁺, ионы переходят в раствор, а электроны остаются в металле и по проводнику переходят на свинец (возникает электрический ток);

  на свинцовом электроде (катоде) происходит восстановление ионов металла за счет полученных от марганца электронов:

Pb²⁺ + 2e^- = Pb

Эти процессы происходят до тех пор, пока весь марганец не растворится или не израсходуются частицы, которые могут восстанавливаться на свинце.

Суммарная реакция:

Mn + Pb²⁺ = Mn²⁺ + Pb

Mn + Pb(NO₃)₂ = Mn(NO₃)₂ + Pb

Для вычисления ЭДС при других значениях концентрации электролитов используется уравнение Нернста:

E(Mⁿ⁺/M) = E⁰(Mⁿ⁺/M) + 0,059/z ^. lg c(Mⁿ⁺)

(Mⁿ⁺ и М – окисленная и восстановленная формы металла, для которого рассчитывается электродный потенциал, z – заряд катионов металла, с(Mⁿ⁺) – концентрация катионов металла в растворе)

Итак, при изменении концентрации ионов свинца у катода ЭДС гальванического элемента рассчитывается по формуле:

E = E(Pb²⁺|Pb) – E(Mn²⁺|Mn) = [E⁰(Pb²⁺|Pb) + 0,059/z * lg c(Pb²⁺)]  - E⁰(Mn²⁺|Mn)

Таким образом, при уменьшении концентрации ионов свинца до 0,1 моль/л ЭДС  гальванического элемента изменится на величину, равную:

0,059/z * lg c(Pb²⁺) = 0,059/2 * lg 0,1 = - 0,0295 (В), т.е. уменьшится на 0,0295 В и составит 1,0205 В.

4.  Составить гальванический элемент, состоящий из водородного и железного электродов. Рассчитать ЭДС в стандартных условиях.

Решение:

По справочнику найдём значения стандартных электродных потенциалов для железного и водородного электродов:

E⁰(Fe²⁺|Fe) = - 0,44 B; E⁰(2H⁺|H₂) = 0 B

Таким образом, железо, стоящее в ряду напряжений до водорода, является анодом, а водородный электрод – катодом.

Для справки:

Водородный электрод – разновидность редокс-электрода –– платиновая пластина или сетка, опущенная в раствор кислоты, через который пропускается молекулярный водород. Проходя через жидкость, Н₂ частично растворяется и подходит к поверхности Pt и адсорбируется на ней, распадаясь на атомы. Адсорбированные атомы водорода Н_адс ионизируются, а ионы водорода из раствора, находящиеся вблизи электрода, принимают электроны и переходят в адсорбированное состояние:

Н_адс – е^- → Н⁺    Н⁺ + е^- → Н_адс

Равновесие в водородном электроде выражается уравнением:

2Н⁺ + 2е^- ↔ 2Н_адс(Pt) ↔ H₂

2H⁺ + 2e^- ↔ H₂

В качестве электролита можно взять соляную кислоту: с катионами железа (2) она образует растворимую соль (хлорид железа), а ионы водорода адсорбируются на платиновом электроде.

Схема данного гальванического элемента:

Pt, H₂ | HСl || FeCl₂| Fe

(В данном случае при составлении схемы гальванического элемента действует исключение: если в состав электрохимической цепи входит водородный электрод, то его записывают вначале).

Стандартная ЭДС данного элемента равна:

Е = E⁰(2H⁺|H₂) - E⁰(Fe²⁺|Fe) = 0 В – (- 0,44 В) = 0,44 В

5.  Через водный раствор фосфата калия (К₃РО₄) в течение 321,6 минут пропускали постоянный электрический ток силой 10 А. Электроды инертные. Определить, какие вещества, и в каком количестве образовались на электродах.

Решение:

Фосфат калия диссоциирует в водном растворе на катионы калия и фосфат-анионы:

К₃РО₄ → 3К⁺ + РО₄^3-

Катионы калия пойдут к отрицательно заряженному электроду – катоду, а фосфат-анионы – к положительному электроду – аноду.