قيمة emf للخلية الجلفانية. عناصر كلفانية. emf

القوة الدافعة الكهربائية للخلية الجلفانية (EMF).

سيكون العمل الكهربائي الذي يتم الحصول عليه من خلية كلفانية بحد أقصى عندما يتم تشغيل الخلية في ظل ظروف قريبة قدر الإمكان من إمكانية عكسها. يُطلق على الحد الأقصى لفرق الجهد بين أقطاب خلية جلفانية معينة ، والذي يتم تحديده في ظل ظروف التوازن ، اسم القوة الدافعة الكهربائية (EMF). إنه يساوي الفرق بين إمكانات التوازن للكاثود والأنود للعنصر. في ظل الظروف القياسية:

EMF 0 = د j0 = j0 الكاثود - j0 الأنود . (7.3)

المثال 10. احسب المجالات الكهرومغناطيسية لخلية كلفانية مكونة من قطبين من المغنيسيوم والرصاص ، حيث = 0.1 م ؛ = 0.001 م.

المحلول. ي 0 ملغ 2+ / مغ \ u003d -2.37 فولت ؛ ي 0 Pb 2+ / Pb = -0.13 B (الجدول 7.1) ؛ j 0 من قطب المغنيسيوم أقل ، ᴛ.ᴇ. Mg هو معدن أكثر نشاطًا ، لذلك ، في الخلية الجلفانية ، سيكون المغنيسيوم هو الأنود ، ويقود الكاثود.

ستتم العمليات التالية على الأقطاب الكهربائية:

ج: Mg - 2e \ u003d Mg 2+ ،

K: Pb 2+ + 2e = Pb 0.

تتم كتابة دائرة الخلية الجلفانية على النحو التالي: Mg½Mg 2+ ║Pb 2+ Pb.

لحساب المجالات الكهرومغناطيسية ، من المهم للغاية إيجاد إمكانات القطب. حسب المعادلة (7.2):

J0 + -2.37 + 0.0295. سجل 0.1 = -2.4 فولت ؛

0.13 + 0.0295. lg 0.001 = -0.13 + 0.0295 (-3) \ u003d -0.22 فولت.

EMF \ u003d j cat - j an \ u003d -0.25 - (-2.4) \ u003d 2.15 فولت.

المثال 11. حدد المجالات الكهرومغناطيسية للخلية الجلفانية المكونة من أقطاب فضية مغمورة في محاليل 0.0001 M و 0.1 M AgNO 3.

المحلول. يجب أن تتكون الخلية الجلفانية ليس فقط من أقطاب مختلفة ، ولكن أيضًا من نفس الأقطاب الكهربائية المغمورة في محاليل من نفس الإلكتروليت بتركيزات مختلفة ( عناصر التركيز). لنجد جهود القطب باستخدام صيغة Nernst (7.2):

j 1 Ag + / Ag = j 0 + × lg = 0.8 + 0.059 × lg0.001 = 0.8 + 0.059 × (-3) = 0.62 فولت ،

ي 2 Ag + / Ag \ u003d 0.8 + 0.059 × lg0.1 \ u003d 0.8 - 0.059 \ u003d 0.74 فولت.

منذ ي 1< j 2 , электрод, опущенный в 0,001 М раствор, будет являться анодом:

EMF \ u003d j cat - j an \ u003d 0.74 - 0.62 \ u003d 0.12 فولت.

تتم كتابة مخطط هذه الخلية الجلفانية على النحو التالي:

(-) Ag½ AgNO 3 (0.001M) ║ AgNO 3 (0.1M) ½ Ag (+).

كما تم توضيحه بالفعل في مثال قطب الهيدروجين ، يتم إنشاء الأقطاب الكهربائية ، وبالتالي الخلايا الجلفانية ، ليس فقط لتفاعل الأكسدة والاختزال للمعادن ، ولكن أيضًا لأي مواد وتفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث في المحاليل أو الذوبان. على سبيل المثال ، للتفاعل في المحلول

2KMnO 4 + 5Na 2 SO 3 + 3H 2 SO 4 = 2MnSO 4 + 5Na 2 SO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O

يمكن تقسيم عمليات الأكسدة والاختزال إلى نصف تفاعلات:

عند الأنود: 5 ½ SO 3 2 - + H 2 0 \ u003d SO 4 2 - + 2H + + 2ē ؛ (0.17 فولت) ،

عند الكاثود: 2 ½ MnO 4 - + 8H + + 5e = Mn 2+ + 4H 2 O(1.51 فولت).

نلخص:

2MnO 4 - + 5SO 3 2 - + 6H + + 10 '= 2Mn 2+ + 5SO 4 2 - + 3H 2 O + 10'.

تفاعل توليد التيار:

2MnO 4 - + 5SO 3 2 - + 6H + = 2Mn 2+ + 5SO 4 2 - + 3H 2 O.

لإجراء مثل هذه التفاعلات ، عادة ما يتم استخدام محفز ، وهو أيضًا موصل إلكتروني ، على سبيل المثال ، البلاتين (الشكل 7.3).

أرز. 7.3. خلية كلفانية على الأكسدة والاختزال

ردود الفعل في الحل

رسم تخطيطي لخلية كلفانية:

نقطة | SO 3 2 -، SO 4 2 -، H + || MnO 4 - ، Mn 2+ ، H + | نقطة.

يتم إعطاء قيم إمكانات القطب القياسي للتفاعلات النصفية في الكتب المرجعية.

يمكن تعريف emf لهذا العنصر في ظل الظروف القياسية على أنه فرق الجهد لنصف تفاعلات الاختزال (المؤكسد) والأكسدة (الاختزال).

EMF \ u003d Dj 0 \ u003d j 0 (MnO 4 - / Mn 2+) - j 0 (SO 4 2 - / SO 3 2 -) \ u003d

1.51 - 0.17 = 1.34 فولت.

إذا كان EMF موجبًا في نفس الوقت ، يكون التفاعل ممكنًا في ظل الظروف القياسية ، نظرًا لأن DG للتفاعل والعمل الكهربائي (EMF) مرتبطان بالعلاقة:

حيث F هو ثابت فاراداي (الشحنة التي يحملها مول واحد من الشحنات الأولية (F = 96485 ، أو ʼʼ96500Cul / mol equiv) ؛

n هي الشحنة التي يحملها جسيم واحد (لـ Zn 2+ و Cu 2+ n = 2) ؛

Dj \ u003d j cathode - j الأنود \ u003d j ok-la - j استعادة.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ ، لا يمكن قياس فرق الجهد عبر الأقطاب بشكل مباشر فحسب ، بل يمكن أيضًا حسابه من البيانات التجريبية الكيميائية البحتة. في حالة الظروف غير القياسية ، يتم حساب جهد القطب ومجال الكهرومغناطيسي للعنصر باستخدام صيغة نرنست (7.1). على سبيل المثال ، للتفاعل المعطى:

(ن = 10). نظرًا لأن تركيزات الكواشف تحت علامة اللوغاريتم ، فإن اعتماد Dj عليها ضعيف.

القوة الدافعة الكهربائية للخلية الجلفانية (EMF). - المفهوم والأنواع. تصنيف وميزات فئة "القوة الدافعة الكهربائية للخلية الجلفانية (EMF)". 2014 ، 2015.

إذا قمنا بفصل عمليات الأكسدة والاختزال مكانيًا ، فيمكن استخدام تفاعل الأكسدة والاختزال لتوليد الطاقة الكهربائية.

الجهاز الذي الطاقة الكيميائيةيتحول إلى كهرباء عنصر كلفاني. تتكون الخلية الجلفانية من معدنين مغموسين في محلول إلكتروليت. إذا قمت بتوصيل هذه المعادن بموصل من النوع الأول (سلك معدني) ، فسيتم تكوين تيار كهربائي يظهر نتيجة حدوث عملية الأكسدة والاختزال. الأنود في الخلية الجلفانية هو قطب كهربائي يكون جهده الكهربائي في محلول معين أكثر كهرسلبية. تحدث الأكسدة عند الأنود. الكاثود هو قطب كهربائي مصنوع من معدن أقل نشاطًا. يتم تقليل أيونات المعادن الموجبة أو أيونات الهيدروجين أو الجزيئات المحايدة عند الكاثود. في الخلية الجلفانية ، يُشار إلى القطب الموجب بعلامة ناقص ، والكاثود بعلامة زائد. تظهر الخلية الجلفانية في الشكل.

تُغمر صفيحة الزنك في محلول من كبريتات الزنك ، وتُغمر صفيحة نحاسية في محلول من كبريتات النحاس. تتصل الصفائح بسلك ، ويتم فصل المحاليل بواسطة قسم مسامي لمنع اختلاط المحاليل. تنتقل الإلكترونات على طول الدائرة الخارجية من القطب الموجب إلى الكاثود ، وعلى طول الدائرة الداخلية SO 4 2- تتحرك الأنيونات في المحلول من النحاس إلى الزنك ، مما يؤدي إلى إغلاق الدائرة الكهربائية للخلية الجلفانية.

تتم كتابة الخلية الجلفانية كدائرة كهروكيميائية:

أ (-) زنك | ZnSO 4 || CuSO4 | النحاس (+) ك

نظرًا لأن جهد القطب الكهربائي للزنك أقل من جهد القطب الكهربائي للنحاس ، سيكون الزنك هو القطب الموجب ، وسيكون النحاس هو القطب السالب. تتأكسد صفيحة الزنك ، ويتم تقليل النحاس من المحلول الموجود على سطح الصفيحة النحاسية.

يجب تسجيل العمليات التي تحدث أثناء تشغيل الخلية الجلفانية:

أ Zn - 2e = Zn 2+

K Cu 2+ + 2e = Cu 0

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu

يُطلق على أقصى فرق الجهد بين الأقطاب الكهربائية التي يمكن الحصول عليها أثناء تشغيل الخلية الجلفانية القوة الدافعة الكهربائية (EMF) للخلية. إنه يساوي الفرق بين إمكانات التوازن للكاثود والأنود:

EMF = e K - e A

بالنسبة لخلية كهروكيميائية من النحاس والزنك في ظل الظروف القياسية:

EMF = 0.34 - (- 0.76) = 1.1 فولت

لا يتشكل فرق الجهد بين المعادن المختلفة فحسب ، بل أيضًا بين المعادن التي تحمل الاسم نفسه ، حيث يتم تحميلها في محاليل أملاحها بتركيزات مختلفة. تسمى هذه الخلية الجلفانية تركيز. على سبيل المثال ، خلية جلفانية بتركيز النيكل.

(-) ني | NiSO4 || NiSO4 | ني (+)

0.01 مول 0.1 مول

دعونا نكتب عمل مثل هذه الخلية الجلفانية التركيز.

e Ni 2+ / Ni \ u003d e 0 + (0.058 / n) lg (1 * 10-2) \ u003d -0.25 + (0.058 / 2) (-2) \ u003d -0.308 V

e Ni 2+ / Ni \ u003d e 0 + (0.058 / n) lg (1 * 10-1) \ u003d -0.25 + (0.058 / 2) (-1) \ u003d -0.28 V

EMF = -0.28 - (-0.308) = 0.028 فولت

العمليات على الأقطاب الكهربائية:

ج: Ni 0 - 2e - \ u003d Ni 2+

K: Ni 2+ + 2e - \ u003d Ni 0

مهام التحكم

48. احسب EMF لخلية جلفانية من الفضة والكادميوم ، إذا كان تركيز أيونات الفضة في المحلول 0.1 مول / لتر ، وأيونات الكادميوم 0.001 مول / لتر. اكتب معادلات التفاعلات التي تحدث على الأقطاب الكهربائية.

49. قم بعمل رسم بياني لخليتين جلفانيتين ، في إحداهما النيكل هو القطب السالب ، وفي الأخرى الأنود. اكتب معادلات التفاعلات التي تحدث أثناء تشغيل هذه العناصر.

50. احسب المجال الكهرومغناطيسي لخلية كلفانية مكونة من صفائح حديد ورصاص مغموسة في 0.1 مليون محلول من أملاحها. اكتب معادلات التفاعل.

51. احسب EMF لخلية تركيز نيكل جلفانية. تركيز أيونات المعادن في المحاليل هو 1 مول / لتر و 0.0001 مول / لتر. اكتب العمليات التي تحدث عند الأنود والكاثود.

52. ما هي العمليات التي تحدث عند الأقطاب الكهربائية لخلية جلفانية مركزة بالنحاس ، إذا كان أحد الأقطاب الكهربائية يحتوي على تركيز أيونات معدنية يساوي 1 مول / لتر ، والآخر 0.001 مول / لتر. في أي اتجاه تتحرك الإلكترونات في الدائرة الخارجية. ما هو المجال الكهرومغناطيسي؟

53. قم بعمل رسم تخطيطي لخلية كلفانية تتكون من صفائح الزنك والحديد المغمورة في محاليل أملاحها. اكتب معادلات العمليات التي تحدث على أيونات الحديد بحيث يصبح المجال الكهرومغناطيسي للعنصر صفراً عند تركيز أيونات الزنك بمقدار 0.0001 مول / لتر.

54. صفائح الحديد والفضة متصلة بواسطة موصل خارجي ومغمورة في محلول حامض الكبريتيك. قم بعمل رسم تخطيطي لهذه الخلية الجلفانية ، واكتب معادلات التفاعلات التي تحدث على الألواح.

55. ارسم مخططًا لخلية جلفانية تتكون من قطب فضي مغمور في محلول 1M من نترات الفضة وقطب هيدروجين قياسي. اكتب معادلات عمليات القطب. ما هي المجالات الكهرومغناطيسية للعنصر؟

56. في أي اتجاه سوف تتحرك الإلكترونات في الدائرة الخارجية للخلايا الجلفانية التالية

أ) ملغ | مغ 2 + | | Pb 2+ | الرصاص

ب) الرصاص | Pb 2+ | | النحاس 2+ | النحاس

ج) النحاس | النحاس 2+ | | حج 2+ | اي جي

إذا كانت جميع محاليل الإلكتروليت أحادية المولي؟ أي معدن سوف يذوب في كل من هذه الحالات.

57. قم بعمل رسم تخطيطي لخلية كلفانية على أساس التفاعل الجاري وفقًا للمعادلة:
Ni + Pb (NO 3) 2 \ u003d Ni (NO 3) 2 + Pb.

اكتب المعادلات الإلكترونية لعمليات الأنود والكاثود ، واحسب EMF لهذا العنصر في ظل الظروف القياسية.

58. EMF لخلية جلفانية تكونت من صفيحة نحاسية مغمورة في محلول ملح مع تركيز أيونات النحاس يساوي 0.001 مول / لتر والكروم المغمور في محلول ملحها هو 1.05 فولت. تحديد تركيز أيونات الكروم في محلول ملحها. قم بعمل رسم تخطيطي لخلية كلفانية واكتب المعادلات الإلكترونية لعمليات القطب.

59. قم بعمل رسم تخطيطي ، واكتب معادلات عمليات القطب وحساب EMF لخلية كلفانية تتكون من ألواح الكادميوم والمغنيسيوم مغمورة في محاليل أملاحها مع تركيز أيونات معدنية يساوي 1 مول / لتر. هل يتغير EMF لهذه الخلية الجلفانية إذا تم تقليل تركيز كل من الأيونات إلى 0.01 مول / لتر.

60. الكهرومغناطيسي للخلية الجلفانية المكونة من قطب هيدروجين قياسي وقطب كهربائي مغمور في محلول ملح رصاص 1M هو 126mV. عندما يتم إغلاق العنصر ، تتحرك الإلكترونات في الدائرة الخارجية من الرصاص إلى قطب الهيدروجين. ما هي إمكانات قطب الرصاص. ارسم مخططًا لخلية جلفانية واكتب العمليات التي تحدث على الأقطاب الكهربائية.

61. ما هي العمليات التي تتم على الأقطاب الكهربائية عند شحن وتفريغ بطارية الرصاص.

62. ما هي العمليات التي تتم على الأقطاب الكهربائية عند شحن وتفريغ بطارية من النيكل والكادميوم.

63. ما هي العمليات التي تتم على الأقطاب الكهربائية عند شحن وتفريغ بطارية من الحديد والنيكل.

64. قم بعمل رسم تخطيطي لخليتين جلفانيتين في إحداهما يكون الكروم هو الأنود ، وفي الأخرى - الكاثود. اكتب لكل عنصر من هذه العناصر المعادلات الإلكترونية للتفاعلات التي تحدث على الأقطاب الكهربائية.

65. ارسم رسم تخطيطي لخلية كلفانية تتكون من قطب ألومنيوم، مغمورة في محلول 1M من نترات الألومنيوم وقطب هيدروجين قياسي. اكتب معادلات عمليات القطب وحساب EMF للخلية الجلفانية.

66. في أي اتجاه ستتحرك الإلكترونات في الدائرة الخارجية لخلية جلفانية من الألومنيوم والزنك. تركيزات الأيونات في المحاليل 0.1 مول / لتر. قم بعمل رسم تخطيطي لخلية كلفانية ، واكتب المعادلات للعمليات التي تحدث على الأقطاب الكهربائية ، وحساب EMF.

67- في عنصر الفضة والزنك المستخدم لتشغيل معدات مختلفة ، يحدث تفاعل

التحليل الكهربائي

عن طريق التحليل الكهربائيتسمى مجموعة من العمليات التي تحدث أثناء مرور ثابت التيار الكهربائيمن خلال نظام يتكون من قطبين ومحلول ذائب أو إلكتروليت. أثناء التحليل الكهربائي ، تتحرك الأيونات الموجبة الشحنة نحو القطب السالب المتصل بالقطب السالب لمصدر تيار مستمر خارجي ، وتتحرك الأيونات سالبة الشحنة إلى القطب الموجب المتصل بالقطب الموجب لمصدر التيار المستمر. على سطح الكاثود هناك عملية اختزال ، على الأنود - الأكسدة.

ضع في اعتبارك التحليل الكهربائي لمصهور كلوريد الصوديوم.

عندما يتم غمر قطبين من الجرافيت المتصلين بمصدر تيار في ذوبان يتكون من أيونات الصوديوم والكلوريد ، ستبدأ حركة موجهة للأيونات في الإلكتروليت ، وستحدث عمليات الأكسدة والاختزال على الأقطاب الكهربائية.

مخطط التحليل الكهربائي لذوبان الصوديوم:

كلوريد الصوديوم \ u003d Na + + Cl -

كاثود (-) (+) أنود

Na + + e - = Na 0 2Cl - - 2e - = Cl 2

معادلة التفاعل العام:

2Na + 2Cl - التحليل الكهربائي 2 Na + Cl 2

التحليل الكهربائي 2NaCl 2Na + Cl 2

في التحليل الكهربائي للمحاليل المائية للشواردتنجذب جزيئات الماء القطبية إلى كل من الكاثود والأنود ، ويمكنها أيضًا المشاركة في العمليات على الأقطاب الكهربائية.

العمليات في الكاثود

يعتمد تسلسل اختزال الأيونات عند الكاثود أثناء التحليل الكهربائي للحلول على قيم جهود القطب القياسية. كلما زادت قيمة جهد القطب الكهربائي للعنصر ، كان استعادته أسهل.

أول ما يتم اختزاله عند الكاثود هو أيونات تلك المعادن التي تكون إمكاناتها هي الأكثر إيجابية. على سبيل المثال ، حل مع أيونات Ag + و H +. يتم استعادة Ag أولاً:

Ag + + e - = Ag 0 e 0 = +0.8 B

لا يتم استرداد الهيدروجين ، لأن إمكاناته أقل.

تعتمد إمكانات المعادن والهيدروجين على تركيزها في المنحل بالكهرباء. لذلك ، ليس من الممكن دائمًا الحكم على تقليل أيونات H + من قيم الإمكانات القياسية. في محلول متعادل ، يكون تركيز أيونات الهيدروجين 10-7 مول / لتر. ووفقًا لصيغة Nernst:

وبالتالي ، يمكن إطلاق الهيدروجين من المحاليل المحايدة فقط عند جهد أقل من -0.41 فولت ، وسيتم إطلاق المعادن الموجودة على الكاثود فقط تلك التي تكون إمكاناتها أكثر إيجابية من الجهد المحتمل -0.41 فولت.

من الناحية العملية ، يتم إطلاق العديد من المعادن (Zn ، Fe ، Cr ، إلخ) من محاليل الهيدروجين ، وتكون قيمة جهود القطب أقل من -0.41V.

هذا بسبب الجهد الزائد للهيدروجين ، أي على سطح معظم المعادن ، يتم إطلاق الهيدروجين بصعوبة. يعتمد حجم الجهد الزائد للهيدروجين على خصائص المعدن وكثافة التيار ودرجة حرارة المنحل بالكهرباء. الجهد الزائد- هذا هو فرق الجهد بين الإمكانات العملية لتطور الهيدروجين والإمكانات النظرية.

مثال.

احتمال إطلاق الزنك في المنحل بالكهرباء متعادل –0.76V ، الهيدروجين –0.41V. يبلغ الجهد الزائد للهيدروجين على الزنك حوالي -0.72 فولت. وبالتالي ، سيتم إطلاق الهيدروجين على الزنك فقط بإمكانية –0.41 + (- 0.72) = - 1.13 فولت. إذا قارنا إمكانات تفريغ الزنك (-0.76 فولت) بإمكانية تفريغ الهيدروجين على الزنك (-1.13 فولت) ، فمن الواضح أنه سيتم إطلاق الزنك. في الواقع ، هذا صحيح ، أثناء التحليل الكهربائي لمحلول محايد من ملح الزنك ، يتم إطلاق الزنك وكمية صغيرة من الهيدروجين.

من خلال عملية معممة على الكاثود ، اعتمادًا على موقع المعدن في سلسلة جهود القطب القياسية ، يتم تمييز ثلاث حالات:

1) أيونات معدنية ، يكون جهد القطب فيها أقل من -1.18 فولت (من Li إلى Mn). يتم استعادة أيونات الهيدروجين:

2 H + 2e - \ u003d H 2 PH< 7

2 H 2 O + 2e - \ u003d H 2 + 2OH - PH> = 7

2) أيونات المعادن التي يتراوح جهد القطب الكهربائي فيها من -1.18 فولت إلى 0.00 فولت (من Mn إلى H) وفي هذه الحالة يتم تقليل أيونات المعادن وأيونات الهيدروجين في وقت واحد:

أنا n + + ne - = أنا 0

2H + 2e - = H 2 PH<7

2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH - PH> = 7

3) أيونات معدنية ، يكون جهد القطب فيها أكبر من 0.0 فولت (من H إلى Au). في هذه الحالة ، يتم تقليل أيونات المعادن فقط

أنا n + + ne - = أنا 0

العمليات في الأنود

للتحليل الكهربائي ، يتم استخدام الأنودات القابلة للذوبان (النشطة) وغير القابلة للذوبان (الخاملة). أثناء التحليل الكهربائي ، تذوب الأنودات القابلة للذوبان والأيونات المعدنية - يمر الأنود إلى المحلول. تصنع الأنودات القابلة للذوبان عادة من المعدن الذي يتعرض ملحه للتحليل الكهربائي.

الأنودات غير القابلة للذوبان لا تشارك في تفاعلات الأكسدة والاختزال. عادة ما تكون هذه الأنودات مصنوعة من الجرافيت والذهب والبلاتين. تتأكسد الأنيونات ذات الإمكانات السلبية على سطحها. هذه هي الأيونات التي لا تحتوي على الأكسجين ، مثل J - و Br - و Cl - و S 2- وغيرها (باستثناء F -)

إذا كان المحلول يحتوي على Cl - ، Br - أيونات ، فإن Br - أيونات سوف تتأكسد على أنود خامل.

2Br - - 2e - = Br 2

2H 2 0-4e - \ u003d O 2 + 4H + (PH<=7)

4OH - 4e - \ u003d 2H 2 O + O 2 (PH> 7)

دعونا ننظر في العديد من حالات التحليل الكهربائي للمحاليل المائية.

مثال.

مخطط التحليل الكهربائي لمحلول مائي من كلوريد النحاس مع الأنود الخامل CuCl 2 \ u003d Cu 2+ + 2Cl -

H 2 O \ u003d H + \ u003d OH -

كاثود (-) Cu 2+ H + (H 2 O) Cl - ، OH - (H 2 O) (+) أنود

نحاس 2 + + 2 هـ - = نحاس 0 2 كلوريد - -2 هـ - = كلوريد 2

النحاس لديه إمكانات أكبر من 0 ، لذلك يتم تقليل المعدن عند الكاثود ، وتتأكسد بقايا الحمض الخالية من الأكسجين عند الأنود.

مثال.

مخطط التحليل الكهربائي لمحلول كبريتات البوتاسيوم مع الأنود الخامل. K 2 SO 4 \ u003d 2K + + SO 4 2

H 2 O \ u003d H + + OH -

كاثود (-) 2K + ، H + (H 2 O) SO 4 2- ، OH (H 2 O) (+) الأنود

2H 2 O + 2e - \ u003d H 2 + 2OH - 2H 2 O - 4e - \ u003d O 2 + 4H +

K + + OH - \ u003d KOH 2H + + SO 4 2- \ u003d H 2 SO 4

نظرًا لأن البوتاسيوم في سلسلة جهود القطب القياسية أقدم بكثير من الهيدروجين ، يتم تقليل الهيدروجين عند الكاثود وتتراكم أيونات OH -

عند الأنود ، ستتأكسد جزيئات الماء وتتراكم أيونات H +. وهكذا ، في الفضاء الكاثودي ، سيكون المنتج الثانوي قلويًا ، وفي الفضاء الأنوديك ، سيكون حمضًا.

مثال.

التحليل الكهربائي لمحلول مائي من كبريتات النيكل مع أنود نشط. Ni SO 4 \ u003d Ni 2+ \ u003d SO 4 2-

H 2 O H + OH -

كاثود (-) Ni 2+ ، H + (H 2 O) SO 4 2- ، OH - (H 2 O) (+) الأنود

Ni 2 + + 2e - = Ni 0 Ni - 2e - = Ni 2+

e 0 Ni \ u003d -0.25V أكبر من احتمال اختزال أيونات الهيدروجين من الماء (-0.41V) ، وبالتالي ، يتم تقليل المعدن ، ويتأكسد معدن الأنود عند الأنود ، نظرًا لأن جهد النيكل يكون أقل بكثير من جهد أكسدة الماء (+ 1.23 فولت).

قوانين التحليل الكهربائي

كتلة المنحل بالكهرباء المعرض للتحول الكيميائي ، وكذلك كتل المواد المنبعثة على الأقطاب الكهربائية وفقًا لقوانين فاراداي ، تتناسب طرديًا مع كمية الكهرباء التي تمر عبر الإلكتروليت والكتلة المولية لمكافئات المواد:

، أين

م هي كتلة المنحل بالكهرباء المعرض للتحليل الكهربائي أو كتلة المواد المنبعثة على الأقطاب الكهربائية ، ز ؛

J - القوة الحالية ، أ ؛

الكتلة المولية الإلكترونية لمكافئات المادة ، جم / مول ؛

رقم F من فاراداي - 96500 درجة مئوية ؛

ر هو وقت التحليل الكهربائي ، ث ؛

مهام التحكم

68. عمل معادلات للعمليات التي تحدث أثناء التحليل الكهربائي من NaOH و NiCl 2 يذوب بأقطاب كهربائية خاملة.

69. عمل رسم تخطيطي للتحليل الكهربائي للمحاليل المائية لحمض الكبريتيك ، كلوريد النحاس ، نترات الرصاص مع أقطاب البلاتين.

70. اكتب معادلات عمليات القطب التي تحدث أثناء التحليل الكهربائي للمحاليل المائية لكلوريد الباريوم وكلوريد الحديد (II) بأقطاب الكربون.

71. قم بعمل رسم تخطيطي للتحليل الكهربائي لمحلول مائي من كلوريد الزنك ، إذا: أ) الأنود هو الزنك ؛ ب) أنود الكربون.

72. ما هو حجم الهيدروجين الذي سينطلق عندما يمر تيار 3 أ خلال محلول مائي من حمض الكبريتيك لمدة ساعة واحدة.

73. أثناء التحليل الكهربائي لمحلول مائي من SnCl 2 ، تم إطلاق 4.48 لتر في الأنود. الكلور (ظروف طبيعية). ما هي المادة وبأي كمية تم إطلاقها عند الكاثود.

74. في أي تسلسل سيتم إطلاق المعادن أثناء التحليل الكهربائي لمحلول يحتوي على كبريتات من النيكل والفضة والنحاس في نفس التركيز. اكتب معادلات العمليات على الأقطاب الكهربائية.

75. قم بعمل رسم تخطيطي للعمليات التي تحدث على أقطاب النحاس أثناء التحليل الكهربائي لمحلول مائي من نترات البوتاسيوم.

76. النحاس غير المكرر يحتوي على شوائب من الفضة والزنك. ماذا يحدث لهذه الشوائب أثناء التنقية الإلكتروليتية للنحاس. اكتب معادلات العمليات على الأقطاب الكهربائية.

77. كم من الوقت سيستغرق تحلل 2 مول من الماء بتيار 2A.

78. مرت محاليل ملح الطعام وفوسفات الصوديوم لبعض الوقت العاصمة. هل سيغير هذا كمية الملح في كلتا الحالتين. حفز إجابتك عن طريق تجميع المعادلات الإلكترونية للعمليات التي تجري على القطب السالب والأنود.

79. أثناء التحليل الكهربائي لمحلول من كبريتات النحاس (II) ، تم إطلاق 0.168 لترًا من الغاز عند القطب الموجب (الظروف العادية) ، وقم بتكوين المعادلات الإلكترونية للعمليات وحساب كمية النحاس التي سيتم إطلاقها عند الكاثود.

80. يؤلف المعادلات الإلكترونية للعمليات التي تحدث أثناء التحليل الكهربائي لمحلول وذوبان KOH.

81. ما هي المواد وبأي كمية سيتم إطلاقها على أقطاب الكربون أثناء التحليل الكهربائي لمحلول NaI لمدة 2.5 ساعة إذا كانت القوة الحالية 6 أ.

82. كم جرام من حامض الكبريتيك يتكون بالقرب من القطب الموجب أثناء التحليل الكهربائي لمحلول كبريتات الصوديوم ، إذا تم إطلاق 1.12 لتر من الأكسجين (عدد غير معروف) عند الأنود ، احسب كتلة المادة المنبعثة عند الكاثود.

83. أثناء التحليل الكهربائي لمحلول نترات الفضة عند الأنود ، تم إطلاق 0.28 لتر من الأكسجين. كم غراما من الفضة برزت عند الكاثود.

84- تذوب أملاح الألومنيوم والزنك والنحاس في الماء بتركيز كاتيونات 1 مول / لتر. يؤلف المعادلات الإلكترونية للعمليات على الأقطاب الكهربائية ويشير إلى تسلسل التفاعلات على القطب السالب.

85- ما هي المنتجات التي يمكن الحصول عليها عن طريق التحليل الكهربائي لمحلول NaNO 3 ، إذا كانت مسافات الأنود والكاثود:

أ) مفصولة بقسم مسامي ؛

ب) لا يتم فصلها ويتم تقليب المحلول.

86. ما هي المنتجات التي سيتم إطلاقها على الكاثود والأنود في المقام الأول أثناء التحليل الكهربائي للمحاليل المائية باستخدام أقطاب الجرافيت ، إذا كان الإلكتروليت يحتوي على خليط من كبريتات النحاس (II) وكلوريد البوتاسيوم.

87- تُغمس صفائح النحاس والفضة في محلول مائي من نترات الفضة. إلى أي قطب من المصدر الحالي يجب توصيل صفيحة نحاسية لتغطيتها بالفضة. اكتب مخططًا لعملية التحليل الكهربائي.

تآكل المعادن

تآكليسمى التدمير التلقائي للمعدن تحت تأثير البيئة. التآكل هو عملية غير متجانسة الأكسدة والاختزال تحدث في الواجهة. وفقًا لآلية عملية التآكل ، يتم تمييز التآكل الكيميائي والكهروكيميائي. التآكل الكيميائيتسمى أكسدة المعدن ولا يصاحبها ظهور تيار كهربائي في النظام. يتم ملاحظة هذه الآلية في تفاعل المعادن مع الغازات العدوانية في درجة حرارة عالية(تآكل الغاز) والسوائل العضوية - غير المنحل بالكهرباء (التآكل في غير المنحل بالكهرباء).

التآكل الكهروكيميائي يسمى تدمير المعدن في بيئة المنحل بالكهرباء ، مصحوبًا بظهور تيار كهربائي داخل النظام.

تحتوي المعادن المستخدمة في الهندسة على شوائب من معادن أخرى ، لذلك ، عند ملامستها لمحلول إلكتروليت ، يتم الحصول على عدد كبير من الخلايا الدقيقة التي تعمل باستمرار على سطحها. يتأكسد المعدن الأكثر نشاطًا ، الأنود ، لتكوين كاتيونات معدنية أو منتجات غير قابلة للذوبان مثل الصدأ. تنتقل الإلكترونات المحررة إلى القطب السالب ، حيث يتم تقليل العامل المؤكسد. الأكسجين المذاب وأيونات الهيدروجين ، أهم العوامل المؤكسدة المسببة للتآكل ، تسمى مزيلات الاستقطاب الكاثودية. يعتمد نوع عملية الاختزال التي ستحدث على الكاثود على تكوين الإلكتروليت.

مثال.

عندما يتلامس الحديد والنحاس في محلول حمض الهيدروكلوريك ، تتشكل خلية جلفانية دقيقة:

AFe | حمض الهيدروكلوريك | النحاس ك

ه 0 Fe / Fe2 + = -0.44B

ه 0 نحاس / نحاس 2 + = + 0.34 ب

الحديد - المعدن الأكثر نشاطًا سيكون الأنود ، والنحاس - الكاثود. يمكن التعبير عن التفاعلات التي تحدث عند الأنود والكاثود على النحو التالي:

1 أ: Fe -2e \ u003d Fe 2+

1 K: 2H + 2e = H 2

تلخيصًا لعمليات الأنوديك والكاثودية ، نحصل على تفاعل الأكسدة والاختزال ، والذي يتسبب حدوثه التلقائي في تآكل المعدن:

Fe + 2H + = Fe 2+ + H 2

Fe + 2HCl \ u003d FeCl 2 + H 2

مثال.

مع تآكل في بيئة محايدةفي حالة عدم وجود الأكسجين المذاب في الماء ، يحدث استقطاب الهيدروجين للكاثود بنفس الطريقة كما في المثال السابق.

دعنا نكتب مخطط الخلية الجلفانية ومعادلات التفاعلات التي تحدث في هذه الخلية الجلفانية:

أ Fe | H 2 O | النحاس ك

1 أ: Fe - 2e \ u003d Fe 2+

1 K: 2H 2 O + 2e \ u003d H 2 + 2OH -

Fe + 2H 2 0 \ u003d Fe 2+ + H 2 + 2OH -

أو في شكل جزيئي: Fe + 2H 2 O = Fe (OH) 2 + H 2

مثال.

عندما يتلامس الحديد مع النحاس في الهواء الرطب ، تتشكل خلية كلفانية.

AFe | H 2 O + O 2 | النحاس ك

ويتم التعبير عن عملية التآكل بالمعادلات التالية:

أ: Fe - 2e = Fe 2+

K: O 2 + 2H 2 O + 4e \ u003d 4OH -

2Fe + O 2 + 2H 2 O \ u003d 2Fe (OH) 2

تحت تأثير الأكسجين الجوي ، يتأكسد الحديد (2) هيدروكسيد وفقًا للمعادلة

4Fe (OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe (OH) 3

كما يتضح من المثال ، في هذه الحالة يحدث استقطاب الأكسجين للكاثود.

يتم حساب إمكانية إجراء عملية الأكسدة والاختزال العفوية من المجالات الكهرومغناطيسية

EMF = عامل الاختزال - عامل مؤكسد

إذا كان EMF للعملية أكبر من الصفر ، فإن العملية ممكنة.

7 أساسيات الكيمياء الكهربائية

7.1 الخلايا الجلفانية. اتجاه تفاعلات ريدوكس

ضع في اعتبارك رد الفعل:

Zn+ CuSO4 → ZnSO4 + النحاس

يتم تقليل جوهر تفاعل الإزاحة هذا إلى اختزال أيون ثان بمعدن واحد. على سبيل المثال ، في سلسلة المعادن Zn و Fe و Cu و Ag ، تزيح كل واحدة سابقة المعادن التالية من أملاحها ، بينما لا يلاحظ أي إزاحة عكسية.

يمكن تقسيم عملية تفاعل الزنك مع أيون النحاس وفقًا للمخطط أعلاه إلى نصفين من التفاعلات:

Zn- 2 هـ → Zn2 +

النحاس 2+ + 2 هـ → النحاس

من الواضح ، إذا كان من الممكن نقل الإلكترونات ليس بشكل مباشر ، ولكن من خلال موصل معدني ، فإن تدفق الإلكترونات سيتدفق من الزنك إلى النحاس ، أي كهرباء. يوضح الشكل 6.1 مخططًا لخلية جلفانية ، أي جهاز يجعل نقل الإلكترونات على طول السلك ممكنًا. في الخلية الجلفانية ، يتم تحويل طاقة التفاعل الكيميائي مباشرة إلى طاقة كهربائية.

الشكل 6.1 - تصميم خلية جلفانية من النحاس والزنك (خلية دانيال جاكوبي)

إناء تمتلئ A والأنبوب C الذي يربط بين كلتا السفينتين بمحلول ZnSO 4 ، الوعاء B بمحلول CuSO 4. يتم إنزال صفيحة الزنك في أولهما ، وواحدة نحاسية في الثانية. إذا قمت بتوصيل كلا الصفيحتين بسلك ، فستبدأ الإلكترونات في التحرك على طولهما في الاتجاه الذي يشير إليه السهم (سيتدفق تيار كهربائي). يضمن الأنبوب B إغلاق الدائرة ، وتتحرك SO 4 2- أيونات على طوله. القطب الذي تسمى عملية الاسترداد (في الشكل 6.1 - النحاس) بالكاثود ، والإلكترود الذي يتم إجراء الأكسدة عليه (في المثال المدروس - الزنك) - الأنود في الهندسة الكهربائية ، يتم اعتماد النظام المعاكس لترميز الأقطاب الكهربائية: يُطلق على القطب السالب لمصدر التيار الكاثود ، أي قطب كهربائي ينقل الإلكترونات إلى دائرة خارجية (الزنك في هذه الحالة). في دليل الدراسةتتم تسمية الأقطاب الكهربائية كما هو معتاد في الكيمياء الكهربائية..

في هذه الحالة ، تكون عمليات القطب غير متجانسة ، لأن الأشكال المؤكسدة والمختزلة في مراحل مختلفة. في شكل أكثر عمومية ، يمكن كتابة عملية القطب غير المتجانسة على النحو التالي:

أنا(WF ، تلفزيون . مرحلة) - نه - أنا ن+ (aq) (RP ، محلول)

تظهر طبقة كهربائية مزدوجة عند حدود الطور ، تتكون من الكاتيونات Me ن+ (في المحلول) والإلكترونات (في المعدن) مما يؤدي إلى ظهور الجهد ه(أنا ن+ / أنا). لا يمكن تحديد قيمتها المطلقة ، ولكن يمكن قياس فرق الجهد بين الكاثود والأنود بسهولة ، وهو ما يسمى القوة الدافعة الكهربائية (EMF) للخلية الجلفانيةΔ ه=هل-هلكن . إذا كان من المشروط في مثل هذه الأجهزة النظر في إمكانات بعض الأقطاب الكهربائية التي تساوي الصفر ، إذن قياس EMFمن الممكن الحصول على القيم النسبية لإمكانيات القطب الأخرى ، وهو أمر مهم للخصائص الكمية المقارنة للأقطاب الكهربائية.

تقليديًا ، تُؤخذ إمكانات قطب الهيدروجين القياسي على أنها صفر ، والتي تتكون من لوحة بلاتينية مطلية بلاتينيوم أسود ومغمورة جزئيًا في محلول حمضي بتركيز نشط من أيونات الهيدروجين يساوي 1 مول / لتر. يغسل القطب بغاز الهيدروجين عند ضغط 1.013· 10 5 باسكال (1 جو) ، مما يؤدي إلى تكوين نظام:

2 س + 2 ه 2

لقياس جهد القطب الكهربائي للمعادن ، مثل النحاس ، يتم تكوين خلية كلفانية ، حيث يعمل قطب الهيدروجين القياسي كقطب كهربائي ثان. يعتمد تشغيل الخلية الجلفانية المركبة على التفاعل

نحاس 2+ + ح 2 → 2H ++ النحاس

في الرسم التخطيطي للخلية الجلفانية ، تظهر حدود الطور بخط رأسي واحد ، ويتم فصل الأقطاب الكهربائية عن بعضها بواسطة خطين عموديين. يشار إلى القطب الموجب في الرسم التخطيطي على اليسار ، والكاثود على اليمين:

لكن (-) Pt (H2)| 2 س + || Cu2 + | النحاس(+) ك

الكاثود في هذه الحالة هو قطب نحاسي. القوة الدافعة الكهربائية للخلية الجلفانية ، المقاسة بتركيز (نشاط) أيونات النحاس بمقدار 1 مول / لتر ، هي 0.34 فولت ويمكن التعبير عنها بالصيغةΔ ه=ه(النحاس 2+ / النحاس) - ه(2H + / H 2). لأن ه(2H + / H 2) تؤخذ على أنها صفر ، إذن ه(Cu2 + / Cu) =Δ ه=0,34في ظل الظروف القياسية. إذا تم استبدال النحاس بالزنك ، فسيكون قطب الهيدروجين هو الكاثود. ثم ه(Zn 2+ / Zn) \ u003d -Δ ه= -0.76 فولت.

يتم قياس إمكانات القطب الكهربائي للمعادن فيما يتعلق بإلكترود الهيدروجين في ظل الظروف القياسية ، أي تركيز نشط من أيونات المعادن في محلول يساوي 1 مول / لتر ودرجة الحرارة 25° من(298 ك) ، يسمى اساسيوالدلالة ه ° . وبالتالي، ه ° (النحاس 2+ / النحاس) = 0.34 فولت ، ه ° (Zn 2+ / Zn) \ u003d -0.76V. تسمى سلسلة من المعادن المرتبة بترتيب تصاعدي لإمكانات القطب القياسية الخاصة بها بالقرب من الجهد. في الأساس ، يبدو كما يلي:

ك، Ca ، Na ، Mg ، Al ، Zn ، Fe ، Ni ، Sn ، Pb ، ح، النحاس ، الزئبق ، Ag ، Pt ، Au

فيما يلي النتائج الرئيسية لسلسلة من الضغوط:

أ) يزيح كل معدن عن الأملاح جميع العناصر الأخرى الموجودة في سلسلة الفولتية الموجودة على يمينه.

ب) جميع المعادن الموجودة على يسار الهيدروجين تزيحه من الأحماض الموجودة على اليمين - لا تحل محلها.

تعتمد قيمة الجهد الكهربائي على تركيز في هذه الحالة ، نعني التركيز المولي (مول / لتر).أيونات المعادن في محلول ملحها شحنتها ( ن) ودرجة الحرارة ( تي) ، الذي يعبر عنه معادلة نرنست :

;

هنا F- رقم فاراداي ( F= 96485 96500 ج / مول).

في تي\ u003d 298 كلفن ، يمكنك تطبيق شكل مبسط من معادلة نرنست:

يمكن أن تتكون الدائرة الكهروكيميائية من قطبين - خلية كلفانية يتم فيها توليد الطاقة الكهربائية بسبب تدفق التفاعلات الكهروكيميائية على الأقطاب الكهربائية. يتم نقل الشحنة عبر حدود الطور (التيار الكهربائي) في مثل هذا النظام بسبب تفاعل كهروكيميائي يحدث تلقائيًا. يسمى القطب الذي يحدث عنده الإلكترود بالكاثود ، ويسمى القطب الذي يحدث فيه الأكسدة الكهربائية بالقطب الموجب.

يسمى القطب الواحد في الخلية الجلفانية أحيانًا نصف الخلية. السمة الكهربائية الرئيسية للدائرة الكهروكيميائية هي اختلاف الجهد الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية. يؤدي توصيل الأقطاب الكهربائية بموصل خارجي إلى ظهور تيار كهربائي في الدائرة.

يجب أن تنتهي الدائرة الكهروكيميائية المفتوحة بشكل صحيح ، والتي يمكن في نهايتها قياس فرق الجهد الكهربائي ، بنفس الطريقة دائمًا. التركيب الكيميائيالمعادن . عادة ما يتم تحقيق ذلك ببساطة عن طريق توصيل الأسلاك النحاسية بالمعادن M 1 و M 2 . إن تضمين موصل معدني ثالث بين موصلين معدنيين ، وفقًا لقانون فولتا ، لا يغير فرق الجهد في نهايات الدائرة.

تكون الدائرة الكهروكيميائية في حالة توازن بشرط ملاحظة التوازن الكهروكيميائي عند كل حدود طور ، وفرق الجهد في نهايات الدائرة هيتم تعويضه بالفرق المحتمل من مصدر تيار خارجي.

عند التسجيل التخطيطي لدائرة كهروكيميائية:

1. يتم كتابة القطب الأيسر بترتيب عكسي (يشار إلى المواد الموجودة في المحلول على يمين الشريط العمودي ، بينما يشار إلى المواد التي تشكل مرحلة مختلفة أو مادة القطب إلى اليسار). يتم تسجيل القطب الأيمن بالطريقة المعتادة وفقًا لقواعد التسجيل التخطيطي للأقطاب ؛

2. يتم فصل حلول كلا القطبين بواسطة خط منقط عمودي إذا كانا على اتصال مع بعضهما البعض (لم يتم استبعاد إمكانية الانتشار) أو بواسطة خطين عموديين منقطين إذا تم التخلص من إمكانية الانتشار بين المحلين (على سبيل المثال ، باستخدام جسر الملح).

في دائرة مفتوحة بشكل صحيح ، في نهايات التدوين الشرطي للعنصر ، يتم تسجيل نفس المعدن في الطبيعة. للتبسيط ، غالبًا ما يتم حذفه من تدوين السلسلة.

وفقًا لقاعدة كتابة تفاعل قطب كهربائي ، تتم كتابة الشكل المؤكسد للمادة والإلكترونات على اليسار. ، هو الفرق بين التفاعلات على القطبين الأيمن والأيسر. ثم ، إذا كان فرق الجهد للعنصر بأكمله موجبًا ، فإن التفاعل الكلي والتيار الكهربائي في الخلية الجلفانية يتدفقان من اليسار إلى اليمين ، إذا كان سالبًا ، ثم في الاتجاه المعاكس.

بالنظر إلى أن الامتصاص الكهربائي يحدث عند القطب السالب ، والأكسدة الكهربية تحدث عند الأنود ، ثم في الخلية الجلفانية (عند حدوث عمليات عفوية) ، سيكون القطب السالب قطبًا أكثر حساسية للكهرباء ، ويكون القطب الموجب أكثر كهربيًا. إذا كان العنصر متصلاً بمصدر تيار خارجي وتسبب في عمليات كهروكيميائية قسرية (التحليل الكهربائي) ، فسيكون الكاثود قطبًا كهربيًا أكثر ، وسيكون القطب الموجب كهربائيًا أكثر. لتجنب الالتباس ، غالبًا ما يتم استخدام المصطلحين الكاثود والأنود عند التفكير في التحليل الكهربائي ، وعند التفكير في الخلايا الجلفانية ، يتم استخدام المصطلحين "زائد" و "ناقص" بشكل أكثر شيوعًا لتعيين الكاثود والأنود ، على التوالي.

لنفكر في ثلاث حالات كمثال.

1. كلا القطبين لهما حل مشترك:

نقطة ، ح 2 (د) | حمض الهيدروكلوريك (عبد القدير) | AgCl | اي جي

(1) AgCl + e Ag + Cl - (aq) ؛

(2) 2H + (aq) + 2 e H 2 (d).

التفاعل الكلي الذي يحدث في العنصر

AgCl + 0.5H 2 (د) Ag + HCl (عبد القدير).

إذا كان EMF لهذا العنصر موجبًا ، فسيستمر التفاعل الكلي في الاتجاه الأمامي ، وسيكون القطب الأيمن أكثر إيجابية - زائد (كاثود) ، والقطب الأيسر - أكثر سلبية - ناقص (الأنود).

2. تختلف المحاليل الكهربية وتتصل ببعضها البعض من خلال الغشاء (لا يتم التخلص من إمكانية الانتشار) ؛

قرص مضغوط | Cd (NO 3) 2 (aq) ¦ NaCl (aq) | AgCl | اي جي

تحدث التفاعلات التالية على الأقطاب الكهربائية:

(1) AgCl + e - Ag + Cl - (aq) ؛

(2) قرص مضغوط 2+ (aq) + 2 قرص مضغوط.

AgCl + 1 / 2Cd Ag + 1 / 2Cd 2+ (aq) + Cl - (aq).

3. إن حلول القطب الكهربي مختلفة ومترابطة بواسطة جسر ملح (يتم التخلص من إمكانية الانتشار).

نقطة | ح 2 (د) | حمض الهيدروكلوريك (عبد القدير) || كلوريد الصوديوم (عبد القدير) | AgCl | اي جي

تحدث التفاعلات التالية على الأقطاب الكهربائية:

(1) AgCl + e Ag + Cl - (aq) ؛

(2) 2H + (aq) + 2e - H2 (d).

رد الفعل العام الذي يحدث رسميًا في العنصر

AgCl + 1 / 2H 2 (d) Ag + H + (aq) + Cl - (aq).

تسمى القيمة المحددة للاختلاف في الجهود الكهربائية عندما يميل التيار عبر العنصر إلى الصفر بالقوة الدافعة الكهربائية (EMF) ويُشار إليها بواسطة E.

يتكون المجال الكهرومغناطيسي للخلية الجلفانية من قفزات محتملة عند حدود جميع المراحل التي تشكل الخلية (الشكل 4).

فرق الجهد في نهايات هذه الدائرة هو مجموع ثلاث جهود كلفانية:

. (3.32)

بشكل عام ، في تكوين المجال الكهرومغناطيسي للخلية الجلفانية ، لا تشارك فقط القفزات المحتملة بين أطوار الأقطاب الكهربائية ، ولكن أيضًا فرق الجهد بين المعادن التي تشكل مرحلة توصيل الإلكترون للأقطاب الكهربائية - ما يسمى جهد الاتصال ، وكذلك فرق الجهد بين مراحل حلول القطب - جهد الانتشار.

أرز. 4. خلية جلفانية مكونة من الهيدروجين

وأقطاب كلوريد الفضة.

تنشأ إمكانية الانتشار عند حدود حلين بسبب التنقلات المختلفة للأيونات الموجودة في محاليل الإلكترود و / أو تركيزاتها. قد تحتوي الخلية الجلفانية على محلول إلكتروليت مشترك لكلا القطبين. في هذه الحالة ، سيكون احتمال الانتشار غائبًا. في حالات أخرى ، عند إجراء القياسات الكهروكيميائية ، يحاولون التخلص من جهد الانتشار قدر الإمكان. هناك عدة طرق للقضاء على إمكانية الانتشار. أبسطها هو استخدام جسر ملح مملوء بمحلول ملح لتوصيل محاليل من قطبين ، الكاتيونات والأنيونات التي لها نفس القدرة على الحركة تقريبًا (KCl ، KNO 3).

تحدث إمكانية التلامس عندما تكون مراحل توصيل الإلكترون للأقطاب الكهربائية مصنوعة من معادن مختلفة. نظرًا لحقيقة أنه في الوقت الحالي لا توجد طرق تجريبية وحسابية مباشرة لتحديد الجهود الجلفانية عند حدود الطور في خلية جلفانية ، يتم حساب قيمة القوة المحركة الكهربائية للخلية الجلفانية على أنها الفرق بين إمكانات القطب الشرطي:

ه = هف - هل ، (3.33)

أين هع هو جهد القطب الأيمن ، ه l هي إمكانات اليسار.

سلاسل كيميائية

الخلايا الجلفانيةالنوع الأول - الدوائر الكيميائية عبارة عن عناصر مكونة من أقطاب كهربائية مختلفة عليها تفاعلات كيميائية.

يعتمد تشغيل أي عنصر كهروكيميائي على تفاعلات الأكسدة والاختزال العفوية التي تحدث بشكل منفصل: على القطب السالب (الأنود) - الأكسدة ، على القطب الأكثر إيجابية (الكاثود) - الاختزال.

يؤدي توصيل الأقطاب الكهربائية بموصل خارجي إلى ظهور تيار كهربائي في الدائرة. على سبيل المثال ، يتكون عنصر Daniel-Jacobi من قطبين من النوع الأول ، الزنك والنحاس. يوضح الرسم التخطيطي تسلسل اتصالهم:

النحاس | زن | ZnSO 4 (aq) ¦ CuSO 4 (aq) | النحاس.

(1) Cu 2+ (aq) + 2e - Cu ؛

(2) Zn 2+ (aq) + 2e - Zn.

التفاعل الكلي الذي يحدث في العنصر

Zn + Cu 2+ (aq) Cu + Zn 2+ (aq).

EMF لهذا العنصر

أين .

توجد سلاسل كيميائية تحتوي على إلكترولايتين وواحد. تشمل الخلايا الكهروكيميائية التي تحتوي على إلكتروليتين عنصر دانيال جاكوبي الذي تمت مناقشته أعلاه.

يمكن أن تكون الدوائر الكيميائية التي تحتوي على إلكتروليت واحد من نوعين.

في سلاسل من النوع الأول ، يكون أحد الأقطاب الكهربائية قابلاً للانعكاس فيما يتعلق بالكاتيون ، والآخر بالنسبة إلى الأنيون. على سبيل المثال ، العنصر

قرص مضغوط | CdCl 2 (aq) | AgCl | اي جي

يتم استخدامه لتحديد متوسط ​​معامل نشاط المنحل بالكهرباء CdCl 2. احسب EMF لهذا العنصر.

أين هو متوسط ​​نشاط محلول CdCl 2.

في الخلايا الجلفانية من النوع الثاني (مع إلكتروليت واحد) ، يكون كلا القطبين قابلين للانعكاس فيما يتعلق بأحد الأيونات. مثال على ذلك سيكون العنصر

hg | Hg 2 Cl 2 | بوكل (عبد القدير) | الكل 2 (ز) | نقطة

تعبير EMF لهذا العنصر هو:

إذا أنشأت شروطًا بموجبها ، فسيكون EMF لهذا العنصر مساويًا لـ معيار emf. يستخدم هذا النوع من الخلايا الجلفانية لتحديد المعيار بدقة القوة الدافعة الكهربائية(Eº) عنصر.

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1حدد علامات الأقطاب الكهربائية ونوعها ، واكتب معادلات عمليات الأنود والكاثود ، وإجمالي المعادلات الجزيئية والجزيئية الأيونية للعمليات التي تحدث في الخلية الجلفانية ، مخططها هو:

Ni½NiSO 4 aq║ CoSO 4 aq½Co.

احسب emf لهذا العنصر إذا كان a = 0.001 م ، أ \ u003d 1 م. الإمكانات القياسية للأقطاب الكهربائية متساوية على التوالي: \ u003d - 0.25 فولت ؛ = - 0.28 V. هل سيعمل هذا العنصر تلقائيًا؟

1. نظرًا لأن الجهد القياسي للقطب الكهربي أكثر إيجابية من الجهد الكهربائي ، فإن علامات الأقطاب الكهربائية هي:

(+) Ni½NiSO 4 aq║ CoSO 4 aq½Co (-).

هذه أقطاب كهربائية من النوع الأول.

2. على قطب كهربائي ذو جهد أكثر إيجابية () ، يتم إطلاق الإلكترونات ، أي عملية الأكسدة. هذا القطب يسمى الأنود.

على قطب يحتوي على جهد أكثر سلبية () ، يتم قبول الإلكترونات ، أي عملية الاسترداد. هذا القطب يسمى الكاثود.

العمليات التي تحدث على الأقطاب الكهربائية في الخلية الجلفانية:

_______________________________

المعادلة الجزيئية:.

3. emf للعنصر هو:

E \ u003d E + - E- \ u003d -.

= + = - 0.28 + (0.059 / 2) lg1 = - 0.28 فولت.

= + = - 0.25 + (0.059 / 2) lg0.001 = - 0.34 فولت.

E \ u003d - 0.28 - (- 0.34) \ u003d 0.06 فولت.

نظرًا لأن EMF للعنصر قيمة موجبة ، يعمل العنصر تلقائيًا منذ ذلك الحين.

مثال 2. مهل يمكن أن يحدث رد الفعل بشكل عفوي؟

ارسم مخططًا للخلية الجلفانية التي يحدث فيها هذا التفاعل. اكتب معادلات العمليات الأنودية والكاثودية ، بالإضافة إلى إجمالي المعادلات الجزيئية والجزيئية الأيونية. حدد EMF لهذا العنصر عندما يكون نشاط الأيونات في المحلول مساويًا 1.

1. لنصنع خلية كلفانية من قطبين من النوع الأول و. وفقًا لبيانات الأدبيات = +0.22 V ، a = -0.40 V ، لذلك تبدو دائرة الخلية الجلفانية كما يلي:

Cd½ CdCl 2 (aq) || BiCl 2 (aq) ثنائية.

2. في الخلية الجلفانية ، على القطب السالب () ، يستمر تفاعل أكسدة الكادميوم ، وعلى القطب الموجب () ، يتم إجراء عملية اختزال أيون البزموت:

المعادلة الأيونية الجزيئية:.

المعادلة الجزيئية:.

3. نظرًا لأن أنشطة الأيونات تساوي واحدًا ، فإن جهود القطب الكهربائي ستكون مساوية لإمكانات القطب القياسية. المجالات الكهرومغناطيسية للعنصر هي:

E \ u003d - \ u003d + 0.22 - (-0.40) \ u003d + 0.62 V \ u003e 0.

الدكتور جي = – zFE.لذلك ، د ص جي> 0 ورد الفعل المدروس

قد تحدث بشكل عفوي.

مثال 3احسب عند 298 كلفن EMF للعنصر التالي:

Zn ½ZnCl 2 aq ║ СdCl 2 aq ½Cd

C ¢ \ u003d 0.005 م² \ u003d 2 م

جهد القطب القياسي Cd 2+ Cd و Zn 2+ Zn هما على التوالي (-0.402) و (-0.763) V. متوسط ​​معاملات النشاط لـ CdCl 2 و ZnCl 2 في محاليل التركيزات المحددة هي 0.044 و ​​0.789. هل من الممكن تغيير اتجاه التيار في الخلية عن طريق تغيير تركيز أيونات الكادميوم والزنك في المحاليل؟

المحلول: توجد خلية كهروكيميائية مكونة من قطبين مختلفين من النوع الأول. بمقارنة قيم إمكانات القطب القياسية لهذه الأقطاب الكهربائية ، نرى أن قطب الزنك في هذه الدائرة سالب (E 0 \ u003d - 0.763 V) ، وقطب الكادميوم موجب (E 0 \ u003d - 0.402 V) .

تحدث التفاعلات التالية على الأقطاب الكهربائية:

(-) Zn \ u003d Zn 2+ +2 ،

(+) Cd 2+ +2 = قرص مضغوط.

التفاعل الكلي الذي يحدث أثناء تشغيل عنصر كهروكيميائي:

Zn + Cd 2+ = Zn 2+ + Cd.

القيم المحتملة لكل قطب كهربي تساوي:

;

.

قيمة EMF للعنصر هي:

دعونا نستبدل القيم العددية ، مع الأخذ في الاعتبار أن أنشطة الأيونات تساوي متوسط ​​النشاط e للإلكتروليتات المقابلة

أين .

لتغيير اتجاه التيار في العنصر ، من الضروري أن يصبح E (-) أكبر من E (+) ، أي بحيث هأصبحت سلبية. دعونا نحسب أولاً ما هي نسبة أنشطة أيونات الكادميوم والزنك في المحلول ، فإن إمكانات الأقطاب الكهربائية ستصبح متساوية. في هذه الحالة ، سيأخذ EMF قيمة تساوي صفرًا.

.

.

بالتالي:

أو .

تظهر نتيجة الحساب أنه حتى المساواة المحتملة لا يمكن تحقيقها عن طريق تغيير التركيزات ، حيث يجب أن يكون نشاط أيونات الزنك أكبر من 10 12 مرة من نشاط أيونات الكادميوم في المحلول. يكاد يكون من المستحيل تنفيذ مثل هذه الشروط.

مثال 4يُرج محلول مخفف من FeCl 3 في 0.5 مولار هيدروكلوريد (f ± HCl = +0.757) بالزئبق (عند 298 كلفن) ، ويستمر التفاعل

Fe 3+ + Hg + Cl - = Fe 2+ + 1/2 Hg 2 Cl 2

تحديد نسبة الأنشطة / بعد إنشاء التوازن في هذا التفاعل ، إذا الإمكانات القياسيةالأقطاب الكهربائية Cl - / Hg 2 Cl 2 ، Hg و

Fe 3+ ، Fe 2+ / Pt نسبة إلى قطب الهيدروجين القياسي هي 0.268 و 0.771 فولت.

المحلول. دعونا نكوّن عنصرًا كهروكيميائيًا يستمر فيه التفاعل الذي تتطلبه الحالة. دعونا نختار أقطاب الحديد كالوميل والاختزال. وفقًا للقيم العددية لإمكانات القطب القياسية ، نستنتج أن قطب الكالوميل سيكون سالبًا وأن قطب أكسدة الحديد سيكون موجبًا. لنكتب السلسلة:

(-) زئبق ، زئبق 2 CI 2 | الكلور - || Fe 3+ ، Fe 2+ | نقطة (+)

تفاعلات القطب التي تحدث في هذا العنصر الكهروكيميائي

(-) Hg + Cl - \ u003d 1/2 Hg 2 Cl 2 + e -

(+) Fe 3+ + e - \ u003d Fe 2+

والتفاعل الكلي الذي يحدث أثناء تشغيل العنصر الكهروكيميائي الذي قمنا بتجميعه ،

Hg + Fe 3+ + Cl - \ u003d Fe 2+ + Hg 2 Cl 2.

بمقارنة هذا التفاعل مع التفاعل المشار إليه في حالة المشكلة والذي يحدث في القارورة عند اهتزاز FeCl3 في HC1 مع الزئبق ، نستنتج أن التفاعلات متطابقة.

لنكتب التعبيرات الخاصة بإمكانيات القطب الكهربي ومجال الكهرومغناطيسي للعنصر:

.

وفقًا لظروف المشكلة ، يلزم إيجاد نسبة أنشطة أيونات الحديد بعد إنشاء التوازن. نأخذ في الاعتبار أن العنصر الكهروكيميائي يعمل حتى يتم الوصول إلى التوازن ، بينما تصبح EMF مساوية للصفر:

دعونا نعبر عن نسب أنشطة أيونات الحديد من هنا:

بالنظر إلى أن نشاط أيونات الكلوريد يساوي متوسط ​​نشاط كلوريد الهيدروجين

أين ل HCl. من هنا

أسئلة لضبط النفس

1. حدد مصطلح جهد القطب القياسي واشرح سبب اختلاف الجهد بين معدن ومحلول من أملاحه.

2. في مصدر تيار كيميائي

Pt½Fe +2 ، Fe +3 ║ Ag + Ag

رد الفعل يحدث:

Fe +2 (sol.) + Ag + (sol.) = Fe +3 (sol.) + Ag (tv).

ما هو التأثير (الزيادة أو النقصان أو عدم وجود تأثير) الذي يجب أن تحدثه التغييرات التالية على جهد المصدر الحالي:

أ) زيادة تركيز الحديد +3 (سول) ؛

ب) زيادة متزامنة في تركيز Fe +3 (محلول) و Fe +2 (محلول) في نفس العدد من المرات ؛

ج) إضافة الفضة الصلبة.

د) إضافة كمية معينة من كلوريد الصوديوم إلى محلول يحتوي على أيونات الفضة.

3. كيف تحدد اتجاه التحول الكيميائي العفوي في سياق العمليات في عنصر كهروكيميائي؟ أعط إجابة معقولة في أي اتجاه سيستمر رد الفعل تلقائيًا:

4. اشرح معنى علامتي الفصل (½ و) في التمثيل التخطيطي لمصدر تيار كيميائي:

Zn ½ZnSO 4 aq ║ CuSO 4 aq ½Cu

أين هو القطب الموجب في هذه الدائرة وأين هو الكاثود؟ اشرح معنى المصطلحين الأنود والكاثود ووضح على الرسم التخطيطي اتجاه تدفق الإلكترون في الدائرة الخارجية.

5. ماذا يجب أن يحدث عند إدخال الأيونات (على شكل أملاح) في محلول يحتوي على فائض من حامض الكبريتيك المخفف؟ للحصول على شرح ، استخدم قيم إمكانات الأكسدة والاختزال القياسية للأقطاب الكهربائية: = 0.76 فولت ؛ \ u003d 1.52 فولت.

سلاسل التركيز

الخلايا الجلفانية من النوع الثاني - دوائر التركيز هي عناصر مكونة من أقطاب كهربائية تحدث فيها نفس التفاعلات الكيميائية ، لكن تراكيز المواد المتفاعلة على الأقطاب الكهربائية مختلفة. يتم توليد الطاقة الكهربائية في خلايا التركيز من خلال معادلة تراكيز المواد.

توجد سلاسل تركيز بدون نقل ومع نقل. تسمى العناصر التالية سلاسل التركيز بدون نقل:

أ) بنفس الأقطاب الكهربائية ، ولكن بتركيزات مختلفة من الإلكتروليت في حالة عدم وجود اتصال مباشر بين المحاليل ؛

ب) مع إلكترودات مصنوعة من سبيكة (ملغم) متطابقة في طبيعتها ولكنها مختلفة في التركيز ومغمورة في محلول إلكتروليت واحد ؛

ج) مع أقطاب غاز ، متطابقة في طبيعتها ، ولكن بضغط غاز مختلف (بمحلول إلكتروليت واحد).

مثال على سلسلة التركيز بدون نقل سلسلة تركيز الملغم:

حيث تمثل a1 و a2 أنشطة الكادميوم في الملغم.

تحدث التفاعلات الكهروكيميائية التالية على أقطاب عنصر التركيز هذا:

رد الفعل الكلي في العنصر - .

يتم إنشاء emf لهذا العنصر من خلال معادلة نشاط الكادميوم في الملغم ():

سلاسل التركيز مع النقل هي عناصر التركيز التي يوجد فيها حد اتصال مباشر بين الحلول. عند الحد الفاصل بين محاليل إلكتروليت متطابقة بتركيزات مختلفة ، نتيجة التنقل المختلف للكاتيونات والأنيونات ، ينشأ ما يسمى بقدرة الانتشار

علي سبيل المثال،

النحاس | CuSO 4 ¦ CuSO 4 | النحاس

أين وتوجد الأنشطة المختلفة لأيونات النحاس على الأقطاب الكهربائية ، j D هي إمكانية الانتشار التي تحدث عند حدود الحلول.

لنكتب جهود كلا القطبين:

. (3.38)

ثم سيكون emf للعنصر

كقاعدة عامة ، يكون الاختلاف في تركيزات المواد على الأقطاب الكهربائية المختلفة لعناصر التركيز صغيرًا ، لذا فإن إمكانية الانتشار تساهم بشكل كبير في إجمالي المجالات الكهرومغناطيسية. هناك العديد من العلاقات لحساب المجالات الكهرومغناطيسية للخلية الجلفانية ، مع مراعاة إمكانية الانتشار.

1. إذا كانت الأقطاب الكهربائية قابلة للانعكاس فيما يتعلق بالكاتيون ، فإن القوة الدافعة الكهربائية للخلية الجلفانية ستكون مساوية لـ:

, (3.40)

حيث t هو رقم نقل الأنيون ، n هو الإجمالي هعدد جسيمات الصيغة التي تشكل إلكتروليتًا معينًا (العدد الإجمالي للأيونات التي يتحلل فيها الإلكتروليت) ، n + هو عدد جزيئات الصيغة من الكاتيونات (عدد الكاتيونات التي ينفصل فيها الإلكتروليت) التي تشكل هذا المنحل بالكهرباء .

يتم حساب إمكانات الانتشار في هذه الحالة بالعلاقة:.

حيث من 1 \ u003d 0.68 م.

أسئلة لضبط النفس

1. كم عدد الأقطاب الكهربائية التي يمكن تضمينها في عنصر التركيز؟

2. ما هو الفرق بين عناصر التركيز مع النقل الأيوني وعناصر التركيز بدون النقل الأيوني؟

3. يبدو عنصر التركيز كما يلي:

K (Hg) | KCl (aq) | AgCl ، Ag ، AgCl | KCl (aq) | K (Hg)

كم عدد الخلايا الجلفانية التي تحتوي عليها؟ قم بتقييم علامات العناصر التي تضمن التشغيل التلقائي للعنصر. كيف تحسب emf لهذا العنصر؟

4. يشبه عنصر التركيز:

Hg ، HgO | KOH (aq) | KOHaq) | HgO ، Hg.

ما هو نوع عنصر التركيز هذا؟ تقييم علامات الأقطاب الكهربائية التي تضمن التشغيل التلقائي للعنصر. كيف تحسب emf لهذا العنصر؟

5. كيف ترتبط المجالات الكهرومغناطيسية لعنصر بثوابت تفكك الإلكتروليتات CH 3 COOH و HCOOH ؟. ما نوع العناصر الجلفانية التي ينتمي إليها هذا العنصر ولماذا؟

H 2، Pt | CH 3 COOH (aq) | ‌‌HCOOH (aq) | نقطة ، H2 ،