Ряд напряжений

ЭЛЕКТРОХИМИЯ 

Ряд напряжений

Окисленная форма +nē––®¬–––-nē    Восстановленная форма

Каждая такая полуреакция характеризуется стандартным окислительно-восстановительным потенциалом Е0, (размерность - вольт, В). Чем больше Е0, тем сильнее окислительная форма как окислитель и тем слабее восстановленная форма как восстановитель, и наоборот.

За точку отсчета  потенциалов принята полуреакция: 2H+ + 2ē ® H2, для которой Е0 =0

Для полуреакций Mn+ + nē ® M0, Е0 называется стандартным электродным потенциалом. По величине этого потенциала металлы принято располагать в ряд стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений металлов):

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H , Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au

Ряд напряжений характеризует  химические свойства металлов:

1.      Чем  левее расположен металл в  ряду напряжений, тем сильнее  его восстановительная способность  и тем слабее окислительная  способность его иона в растворе (т.е. тем легче он отдает  электроны (окисляется) и тем труднее  его ионы присоединяют обратно  электроны).

2.      Каждый  металл способен вытеснять из  растворов солей те металлы,  которые стоят в ряду напряжений  правее его, т.е. восстанавливает  ионы последующих металлов в  электронейтральные атомы, отдавая электроны и сам превращаясь в ионы.

3.      Только  металлы, стоящие в ряду напряжений  левее водорода (Н), способны вытеснять  его из растворов кислот (например, Zn, Fe, Pb, но не Сu, Hg, Ag).

Гальванические  элементы

Каждые два металла, будучи погруженными в растворы их солей, которые сообщаются между  собой посредством сифона, заполненного электролитом, образуют гальванический элемент. Пластинки металлов, погруженные  в растворы, называются электродами  элемента.

Если соединить  наружные концы электродов (полюсы элемента) проволокой, то от металла, у  которого величина потенциала меньше, начинают перемещаться электроны к  металлу, у которого она больше (например, от Zn к Pb). Уход электронов нарушает равновесие, существующее между металлом и его ионами в растворе, и вызывает переход в раствор нового количества ионов – металл постепенно растворяется. В то же время электроны, переходящие к другому металлу, разряжают у его поверхности находящиеся в растворе ионы - металл выделяется из раствора. Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом. В свинцово-цинковом элементе цинковый электрод является анодом, а свинцовый – катодом.

Таким образом, в  замкнутом гальваническом элементе происходит взаимодействие между металлом и раствором соли другого металла, не соприкасающимися непосредственно друг с другом. Атомы первого металла, отдавая электроны, превращаются в ионы, а ионы второго металла, присоединяя электроны, превращаются в атомы. Первый металл вытесняет второй из раствора его соли. Например, при работе гальванического элемента, составленного из цинка и свинца, погруженных соответственно в растворы Zn(NO3)2 и Pb(NO3)2 у электродов происходят следующие процессы:

Zn – 2ē ® Zn2+

Pb2+ + 2ē ® Pb

Суммируя оба процесса, получаем уравнение Zn + Pb2+ ® Pb + Zn2+, выражающее происходящую в элементе реакцию в ионной форме. Молекулярное уравнение той же реакции будет иметь вид:

Zn + Pb(NO3)2 ® Pb + Zn(NO3)2

Электродвижущая сила гальванического элемента равна  разности потенциалов двух его электродов. При определении его всегда вычитают из большего потенциала меньший. Например, электродвижущая сила (Э.д.с.) рассмотренного элемента равна:

Э.д.с. = -0,13     –       (-0,76) = 0,63 v

                 EPb EZn

Такую величину она  будет иметь при условии, что  металлы погружены в растворы, в которых концентрация ионов  равна 1 г-ион/л. При других концентрациях  растворов величины электродных  потенциалов будут несколько  иные. Их можно вычислить по формуле:

E = E0 + (0,058 / n) • lgC

где      E - искомый потенциал металла (в  вольтах)

E0 - его нормальный  потенциал

n - валентность ионов металла

С - концентрация ионов в растворе (г-ион/л)

Пример

Найти электродвижущую  силу элемента (э. д. с.) образованного  цинковым электродом, опущенным в 0,1 М раствор Zn(NO3)2 и свинцовым электродом, опущенным в 2 М раствор Pb(NO3)2.

Решение

Вычисляем потенциал  цинкового электрода:

EZn = -0,76 + (0,058 / 2) lg 0,1 = -0,76 + 0,029 • (-1) = -0,79 v

Вычисляем потенциал  свинцового электрода:

EPb = -0,13 + (0,058 / 2) lg 2 = -0,13 + 0,029 • 0,3010 = -0,12 v

Находим электродвижущую  силу элемента:

Э. д. с. = -0,12 – (-0,79) = 0,67 v