Под каким давлением поступает водород в левый электрод

Стандартный водородный электрод. Его применение. Измерение электродных потенциалов металлических электродов.

Стандартный водородный электрод — это специально сконструированной электрод, в котором происходит окислительно-восстановительная реакция: 2Н+ + 2е ↔ Н2. При этом концентрация ионов водорода является одномолярной, давление водорода равняется 1 атм. и поддерживается температура 25°С.

Стандартный водородный электрод представляет собой сосуд, заполненный кислотой (как правило), в котором находится платиновая пластинка, служащая для адсорбции молекулярного водорода и его диссоциации на атомы, а также являющаяся проводником первого рода, поставляющим в систему свободные электроны. Концентрация кислоты соответствует

, парциальное давление водорода в системе поддерживается 10^5 Па.

Измерение электродных потенциалов металлических электродов.

Точно измерить электродный потенциал достаточно трудно, так как необходимо, чтобы в процессе измерения не нарушалось равновесие на электродах. По этой причине невозможно получить точное значение Е с помощью обычного вольтметра: если мы замкнем цепь, используя вместо проводника вольтметр, то в ней начнет протекать довольно большой ток, который нарушит равновесие на электродах. Для измерения можно использовать специальные вольтметры с высоким входным сопротивлением (более 1012 Ом). При включении в цепь такого прибора протекающий ток слишком мал для оказания существенного влияния на электродное равновесие.

Стандартный электродный потенциал-это потенциал электрода при стандартных условиях, его обозначают символом Е°. Эти потенциалы определены для многих окислительно-восстановительных систем и обычно приводятся в химических справочниках. Если электроды (на пример, металлические электроды 1-го рода) расположить в порядке возрастания потенциала, то мы получим таблицу, называемую рядом стандартных электродных потенциалов. Этот ряд часто называют рядом напряжений, однако этот термин устарел и его лучше не использовать.

При помощи ряда стандартных электродных потенциалов можно характеризовать некоторые химические свойства металлов. Например, его применяют для выяснения, в какой последовательности восстанавливаются ионы металлов при электролизе, а также при описании других свойств металлов.

Чем меньше алгебраическая величина потенциала, тем выше восстановительная способностьэтого металла и тем ниже окислительная способность его ионов. Как следует из этого ряда, металлический литий — самый сильный восстановитель, а золото-самый слабый. И наоборот, ион золота Аu 3+ -самый сильный окислитель, а ион лития Li + -самый слабый.

Каждый металл в ряду стандартных электродных потенциалов обладает способностью вытеснять все следующие за ним металлы из растворов их солей. Однако это не означает, что вытеснение обязательно происходит во всех случаях. Например, алюминий вытесняет медь из раствора хлорида меди (II) СuСl2, но практически не вытесняет ее из раствора сульфата меди (II) CuS04. Это объясняется тем, что хлорид-ион Сl — быстро разрушает защитную поверхностную пленку на алюминии, а сульфат-ион SO4 2- практически не разрушает ее.

Все металлы, имеющие отрицательные значения стандартных электродных потенциалов, т.е. стоящие в ряду до водорода, вытесняют водород из разбавленных кислот, анионы которых не проявляют окислительных свойств (например, из НСl или разбавленной H2S04) и растворяются в них. Однако есть и исключения. Например, свинец практически не растворяется в серной кислоте. Это обусловлено образованием на поверхности металла защитной пленки труднорастворимого сульфата свинца PbS04, который затрудняет контакт металла с раствором кислоты. Поэтому можно сделать вывод, что пользоваться рядом стандартных электродных потенциалов следует с учетом всех особенностей рассматриваемых процессов.

Электрохимия. Механизм возникновения скачка потенциала на границе раздела фаз: металл/растворов соли металла. Ряд напряжений. Использование этого ряда для определения направления реакции окисления-восстановления.

Электрохимия — раздел химической науки, в котором рассматриваются системы и межфазные границы при протекании через них электрического тока, исследуются процессы в проводниках, на электродах (из металлов или полупроводников, включая графит) и в ионных проводниках (электролитах). Электрохимия исследует процессы окисления и восстановления, протекающие на пространственно-разделённых электродах, перенос ионов и электронов. Прямой перенос заряда с молекулы на молекулу в электрохимии не рассматривается.

Возникновение скачка потенциала на границе раздела фаз вызывается различными причинами, зависящими от природы граничащих фаз. Одной из наиболее общих причин будет обмен заряженными частицами. В момент появления контакта между фазами он протекает преимущественно в каком-либо одном направлении, в результате чего создается избыток частиц данного знака заряда по одну сторону границы раздела и их недостаток по другую. Такой нескомпенсированный обмен приводит к созданию двойного электрического слоя, а следовательно, к появлению разности потенциалов. Последняя в свою очередь будет влиять на кинетику обмена, выравнивая скорости перехода заряженных частиц в обоих направлениях. По мере увеличения разности потенциалов наступит момент, когда уже не будет больше преимущественного перехода частиц из одной фазы в другую, и скорости их перехода в обоих направлениях станут одинаковыми. Такое значение скачка потенциала отвечает равновесию между фазами, при котором электрохимические потенциалы заряженных частиц в обеих фазах равны. Заряженными частицами, принимающими участие в обмене между фазами, могут быть положительные и отрицательные ионы, а также электроны. Какие именно частицы переходят из одной фазы в другую и тем самым обусловливают возникновение скачка потенциала, определяется природой граничащих фаз. На границах металл — вакуум или металл / — металл 2 такими частицами являются обычно электроны. При создании границы металл — раствор соли металла в обмене участвуют катионы металла. Скачок потенциала на границах стекло — раствор, а также ионообменная смола — раствор появляется в результате обмена, в котором участвуют два сорта одноименно заряженных ионов. На границах стекло-раствор и катионитная смола — раствор такими ионами являются ионы щелочного металла и водорода; на границе анионитная смола — раствор — ион гидроксила и какой-либо другой анион. При контакте двух не смешивающихся жидкостей, каждая из которых содержит в растворенном виде один и тот же электролит, потенциал возникает за счет неэквивалентного перехода обоих ионов электролита из одной фазы в другую подобно тому, как образуется диффузионный потенциал. Следовательно, оба потенциала — и фазовый жидкостный, и диффузионный — не являются равновесными.

Ряд напряжений — последовательность расположения металлов и их ионов в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов в растворах электролитов. Электродом сравнения обычно служит стандартный водородный электрод. Поэтому в Р. н. включают и водород, электродный потенциал которого принимается равным нулю. Наибольшие отрицательные потенциалы характерны для щелочных металлов (около — 3 в), за ними следуют щёлочноземельные металлы и т. д.; наиболее положительные потенциалы имеют благородные металлы (около + 1,5 в; численные значения). В Р. н. часто включают неметаллы, ионы и некоторые химические соединения. Наиболее распространённые металлы расположены в Р. н. в следующей последовательности: Li, К, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H2, Cu, Hg, Ag, Au.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Источник

Вопрос 28. Водородный электрод. Схема и принцип работы, расчёт потенциала.

Водородный электрод состоит из платинированной пластины, контактирующей с газообразным водородом, находящимся под давлением 100 кПа , и раствором, в котором активность ионов H+ равна единице. Водородный электрод относится к газовым электродам, т.е. электродам, в которых по крайней мере одни из реагентов является газообразным. Так как для протекания электродной реакции необходим подвод и отвод электродов, то газовые электроды содержат проводники 1-го рода, которые непосредственно в реакции не участвуют (их ионы не переходят в раствор) и в ходе реакции не меняются. В качестве проводника 1-го рода для стандартного водородного электрода служит платина. При контакте платины с молекулярным водородом происходит адсорбция водорода на платине. Адсорбированный водород, взаимодействуя с молекулами воды, переходит в раствор в виде ионов, оставляя в платине электроны. При этом платина заряжается отрицательно, а раствор — положительно. Возникает скачок потенциала между платиной и раствором. Наряду с переходом ионов в раствор идёт обратный процесс восстановления ионов H+ с образованием молекул водорода. Равновесие на водородном электроде можно представить в виде 2H+ + 2e ↔ H2. Абсолютное значение потенциала водородного электрода неизвестно, но условно считают за нуль потенциал стандартного водородного электрода, т.е. потенциал при 100 кПа и aH = 1 моль/л.

Вопрос 29 ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Гальванические элементы являются источниками постоянного напряжения и называются первичными элементами. Электрическая энергия, получаемая в этом случае, образуется в результате химических реакций, происходящих внутри элемента. Рассмотрим принцип действия простейшего гальванического элемента.

Элемент состоит из сосуда с раствором серной кислоты (H2SО4), в которую погружены две разнородные пластины: цинковая и медная. Как показал опыт, цинк в этом случае заряжается отрицательно, а медь — положительно. Элемент имеет два вывода — полюса: положительный (анод) и отрицательный (катод).

Цинковая пластина, опущенная в раствор серной кислоты, будет растворяться в ней. Способность цинка легко отдавать свой электроны приводит к тому, что атом цинка, .оставляя два своих электрона пластине, .Переходит в раствор в виде положительного иона. Между цинковой пластиной и раствором возникает некоторая разность потенциалов, которая приостанавливает дальнейшее растворение цинковой пластины.

Опустим в раствор медную пластину. Обладая меньшей способностью растворения, медь по отношению к раствору будет иметь иную разность потенциалов, чем цинк. Таким образом, между медной и цинковой пластинами образуется разность потенциалов.

Разность потенциалов (э. д. с.) между пластинами (электродами) медно-цинкового элемента равна 1,1 в.

Гальванические элементы применяются для питания батарейных радиоприемников, некоторых физических и электроизмерительных приборов, переносных осветительных приборов, сигнализации.

Вопрос 30 Лекланше элемент .Уравнение Нернста — уравнение, связывающее окислительно-восстановительный потенциал системы с активностями веществ, входящих вэлектрохимическое уравнение, и стандартными электродными потенциалами окислительно-восстановительных пар.

[править]Вывод уравнения Нернста

— электродный потенциал, — стандартный электродный потенциал, измеряется в вольтах;

— универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль·K);

— абсолютная температура;

— постоянная Фарадея, равная 96485,35 Кл·моль −1 ;

— число моль электронов, участвующих в процессе;

и — активности соответственно окисленной и восстановленной форм вещества, участвующего в полуреакции.

Если в формулу Нернста подставить числовые значения констант

и и перейти от натуральных логарифмов к десятичным, то при получим

Концентрационный элемент — это гальванический элемент, состоящий из двух одинаковых металлических электродов, опущенных в растворысоли этого металла с различными концентрациями С1 > С2. Катодом в этом гальваническом элементе является электрод погруженный в раствор с большей концентрацией, а анодом соответственно погруженным в раствор с меньшей концентрацией.

В качестве примера концентрационного элемента можно привести концентрационный свинцовый гальванический элемент. Электроды этого элемента сделаны из свинца, при этом один из электродов которого погружен в раствор соли свинца с концентрацией Pb 2+ равной 0,1 моль/л, а другой — в раствор с концентрацией Pb 2+ равной 0,01 моль/л.

Схема данного элемента:

В данном элементе происходят электродные процессы:

— реакция восстановления

— реакция окисления

Поляризация и деполяризация

В процессе работы гальванического элемента поверхности электродов изменяются, а это вызывает изменение значений электродных потенциалов анода и катода и уменьшение разности потенциалов, возникающей в первый момент после замыкания элемента.

Связанное с работой гальванического элемента изменение электродных потенциалов анода и катода, следствием чего является уменьшение первоначальной разности потенциалов между ними и уменьшение тока, а также скорости коррозии, называется поляризацией.

Общее уменьшение разности потенциалов электродов в элементе может происходить как за счет смещения потенциала анода в положительную сторону (анодная поляризация), так и за счет смещения потенциала катода в отрицательную сторону (катодная поляризация).

Коррозионное разрушение металла происходило бы в десятки и тысячи раз быстрее, если бы в результате поляризации не происходило уменьшения первоначальной разности потенциалов между анодом и катодом.

Поляризация может быть вызвана наличием в составе электрода примесей других металлов, рассеянных в виде кристалликов; обрастанием поверхности электрода пузырьками водорода или образованием на поверхности электродов пленок из продуктов коррозии.

Явлению поляризации электродов противостоит деполяризация — уничтожение или ослабление поляризации и восстановление электрохимической активности электрода. Вещества, которые, вступая в реакцию с веществом, вызвавшим поляризацию, ослабляют или уничтожают последнюю, называются деполяризаторами.

Лекланше элемент, гальванический элемент, в котором положительный электрод изготавливается из двуокиси марганца с добавкой графита и сажи, отрицательный — из цинка. Л. э. был предложен в 1865 французским химиком Ж. Лекланше (G. Leclanche) и первоначально состоял из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или др. хлористых солей (электролит), с помещенным в него агломератом из двуокиси марганца с угольным токоотводом. В более поздних конструкциях «сухих» Л. э. электролит стали загущать крахмалистыми веществами. Начальное напряжение такого Л. э. — 1,4-1,6 в, конечное — 0,7-0,9 в, удельная энергия (w) 30-50 вт·ч/кг. В 30 — 40-х гг. 20 в. были разработаны Л. э. галетной конструкции с w 40-60 вт·ч/кг. В 60-х гг. появились Л. э. со щелочным электролитом — раствором едкого кали (1,4-1,66; 0,9-1,0 б; w 60-90 вт·ч/кг), которые стали постепенно вытеснять Л. э. с солевым электролитом. Л. э. — наиболее дешёвые и удобные химические источники тока: они хорошо сохраняются, транспортабельны, не требуют специального ухода, всегда готовы к действию. Широко применяются для питания переносной радиоаппаратуры, карманных фонарей, электрочасов, электроигрушек и т. п.

Вопрос 31 Электро́лиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций наэлектродах, который возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплавэлектролита.

Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, которое создается электродами — проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Анодом при электролизе называется положительный электрод, катодом — отрицательный [1] . Положительные ионы — катионы — (ионы металлов, водородные ионы, ионыаммония и др.) — движутся к катоду, отрицательные ионы — анионы — (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) — движутся к аноду.

Явление электролиза широко применяется в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, водорода, а также гидроксида натрия, хлора, хлорорганических соединений [источник не указан 1081 день] , диоксида марганца [2] ,пероксида водорода. Большое количество металлов извлекаются из руд и подвергаются переработке с помощью электролиза (электроэкстракция,электрорафинирование).

Электролиз находит применение в очистке сточных вод (процессы электрокоагуляции, электроэкстракции, электрофлотации).

Первый закон Фарадея

Основная статья: Законы электролиза Фарадея

В 1832 году Фарадей установил, что масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит:

если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток с силой тока I. Коэффициент пропорциональности называетсяэлектрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.

[править]Вывод закона Фарадея

(1) (2) (3) (4) , где z — валентность атома (иона) вещества, e — заряд электрона (5)

Подставляя (2)-(5) в (1), получим

где — постоянная Фарадея.

Второй закон Фарадея

Электрохимические эквиваленты различных веществ относятся, как их химические эквиваленты.

Химическим эквивалентом иона называется отношение молярной массы A иона к его валентности z. Поэтому электрохимический эквивалент

где

— постоянная Фарадея.

Второй закон Фарадея записывается в следующем виде:

где — молярная масса данного вещества, образовавшегося (однако не обязательно выделившегося — оно могло и вступить в какую-либо реакцию сразу после образования) в результате электролиза, г/моль; — сила тока, пропущенного через вещество или смесь веществ (раствор, расплав), А; — время, в течение которого проводился электролиз, с; — постоянная Фарадея, Кл·моль −1 ; — число участвующих в процессе электронов, которое при достаточно больших значениях силы тока равно абсолютной величине заряда иона (и его противоиона), принявшего непосредственное участие в электролизе (окисленного или восстановленного). Однако это не всегда так; например, при электролизе раствора соли меди(II) может образовываться не только свободная медь, но и ионы меди(I) (при небольшой силе тока).

Вопрос 32

Электролиз — это совокупность процессов, проходящих на электродах при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита. Электролиты — проводники второго рода. При электролизе катод служит восстановителем (отдает электроны катионам), а анод — окислителем (принимает электроны от анионов). Сущность электролиза состоит в осуществлении за счет электрической энергии химических реакций — восстановления на катоде (К) и окисления на аноде (А). Эти процессы называются процессами (реакциями)электровосстановления и электроокисления. Восстановительное и окислительное действие электрического тока во много раз сильнее действия химических окислителей и восстановителей. Различают электролиз расплавов и растворов электролитов.

Источник