Окислительно-восстановительные реакции и основы электрохимии
Общая характеристика окислительно-восстановительных реакций. Изучение факторов, влияющих на электродный потенциал. Коррозия и методы борьбы с ней. Влияние рН на окислительно-восстановительные свойства. Превращения энергии в электрохимических системах.
| Рубрика | Химия |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 17.08.2015 |
| Размер файла | 130,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
9.2 Три вида ХИТ
1) Первичные элементы - после израсходования активных веществ выбрасываются, т.к. зарядка неэффективна.
Пример - марганцево-цинковый элемент Лекланше
(+)C, MnO2водный NH4Cl с крахмаломZn(-).
Анодный процесс:
Zn Zn2+ + 2e;
Катодный процесс:
NH4+ + e + MnO2 HMnO2 + NH3;
Суммарно:
Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 2HMnO2 + 2NH3 + ZnCl2
2) Вторичные (перезаряжаемые) элементы - аккумуляторы. После израсходования активных веществ могут быть опять заряжены от внешнего источника постоянного тока, то есть можно провести обратный процесс (разновидность электролиза).
Пример старый - свинцовый аккумулятор PbO2, PbSO4р-р H2SO4PbSO4, Pb.
Работу разберите самостоятельно.
Пример современный (в учебниках еще нет, но именно такие аккумуляторы работают в мобильных телефонах и портативных компьютерах) - "литий-ионный" аккумулятор:
(+)C, Li1-xCoO2р-р LiPF6 в смеси эфировLixC(-).
Отрицательный полюс (при зарядке - катод, при разряде - анод):
LixC <> xLi+ + xe + C;
Положительный полюс (при зарядке - анод, при разряде - катод):
хLi+ + хe + Li1-xCoO2 <> LiCoO2
Суммарно:
LixC + Li1-xCoO2 = C + LiCoO2.
Аккумулятор поставляется в разряженном виде, с LiCoO2.
LiCoO2 - это немолекулярное вещество со слоистой структурой. Ионы лития между слоями [CoO6/3]2 подвижны и могут обратимо внедряться и извлекаться благодаря переменной степени окисления кобальта.
Для выработки 1F электричества в свинцовом аккумуляторе нужно 0,5 моль свинца (103,5 г), а в литиевом - 6,9 г лития. При этом литий - еще и гораздо более сильный восстановитель, чем свинец, поэтому эдс свинцового аккумулятора около 2 В, а литий-ионного - около 4 В. Таким образом, литиевый аккумулятор запасает на единицу своей массы в десятки раз больше энергии, чем свинцовый.
3) Топливные элементы. Это ХИТ, в которые можно непрерывно подавать восстановитель и окислитель в виде газов или жидкостей, обычно при повышенных температурах. Например,:
(+)O2, Ptтвердый проводник ионов О2-Ni, CH4(-)
(или вместо Pt - Ni1-xLixO - полупроводниковый электрод, а вместо твердого электролита - расплав K2CO3+Li2CO3).
На аноде:
CH4 + 4О2- СО2 + 2Н2О + 8е
На катоде:
О2 + 4е 2О2-
Суммарно:
CH4 + 2О2 СО2 + 2Н2О,
что равносильно сжиганию топлива, но с прямой выработкой электроэнергии, без горелок, котлов, турбин и генераторов.
Понятно, что ХИТ типа 1 и 2 - это не источники энергии, а средства хранения энергии. Ведь ни цинка, ни лития в природе нет. Для их получения должны работать электростанции на угле, нефти, газе или на атомной энергии. А вот топливные элементы могли бы дать прямое преобразование энергии ископаемого топлива в электроэнергию и резко повысить эффективность энергетики. С точки зрения большой энергетики у ХИТ есть лишь один серьезный недостаток: если на тепловых и атомных электростанциях энерговыделение происходит в объеме, и мощность приблизительно пропорциональна кубу линейного размера, то у ХИТ работает поверхность электродов, которая пропорциональна квадрату линейного размера. Поэтому у ХИТ больше расход материалов на единицу мощности, и наибольшее распространение имеют мелкие ХИТ.
10. Использование метода эдс для определения термодинамических параметров и для анализа
Эдс гальванических элементов дает непосредственную информацию об изменении энергии Гиббса в химических процессах, а значит, и о константах равновесия:
G = -nFE; G = -RTlnK.
Именно методом эдс получено большинство табличных констант равновесия и ПР. Измеряя эдс при разных температурах, можно по зависимости G от Т найти H и S, поскольку G = H - ТS, причем электрические измерения обычно точнее, чем калориметрия. Здесь особенно полезны твердые электролиты: с ними возможны измерения в более широком интервале температур, чем с жидкими.
На рис. 3 показана схема определения термодинамических характеристик процесса методом ЭДС. Измерив ЭДС в интервале температур от Т1 до Т2, находим по ним значения
G = - nFE
и далее графически или аналитически находим H и
S=(1G-2G)/(T2-Т1)
Этим же методом можно находить неизвестные парциальные давления и концентрации (точнее, активности) на основе уравнения Нернста - по эдс концентрационного гальванического элемента. Это такой элемент, где оба электрода по качественному составу одинаковы (поэтому одинаков, не влияет на эдс, и его знать не обязательно), а отличаются только количественно. Тогда эдс определяется отношением активностей одного и того же вещества на двух электродах. Например, элемент с твердым электролитом для определения кислорода:
Pt, O2 (р1)твердый проводник ионов О2-Pt, O2 (р2).
Его эдс E = 1 - 2 = (RT/4F)ln(р1/р2),
потому что на обоих электродах существует одно и то же равновесие О2(г.) + 4е <> 2О2-(тв.). Если одно из давлений известно (например, это воздух, р(О2)=0,21 атм.), то по эдс можно вычислить второе.
Интересно, что работа концентрационного элемента совершается только за счет роста энтропии (как при осмосе):
G = -ТS, т.к. H = 0.
Парциальные давления стремятся к выравниванию, и там, где выше концентрация молекул кислорода, они расходуются (реакция идет вправо), а где меньше - они образуются (реакция идет влево). Конечно, эдс такого элемента невелика: десятые или сотые доли вольта. Как источник энергии он не годится, но очень полезен как прибор для анализа: например, продуктов сгорания топлива, расплавленной стали и т.п. В современных автомобилях в выхлопных трубах ставят такие датчики, и по данным анализа выхлопных газов компьютер управляет работой карбюратора, чтобы уменьшить содержание вредных газов (СО при недостатке кислорода и NO2 при его избытке) и экономить топливо. То же на тепловых электростанциях.
11. Заключительные замечания
Заметьте, что расположение материала в этом пособии несколько иное, чем в программе.
Понятие о гальванических элементах дано в самом начале темы ОВР (без него нельзя определить потенциал), а подробнее о них сказано в конце. В пособии нет тренировки по составлению уравнений ОВР. Такие навыки должны быть выработаны при выполнении домашних заданий, на семинарских занятиях и в практикуме.
Приложение
Таблица стандартных редокс-потенциалов при 298 К
Полуреакции расположены в порядке латинского алфавита по символам тех элементов, которые меняют степень окисления
|
Высшая степень окисления |
Низшая степень окисления |
??, В |
Высшая степень окисления |
+ne |
Низшая степень окисления |
??, В |
||
|
Ag+ |
+e |
Ag |
0,799 |
I2 |
+2e |
2I- |
+0,536 |
|
|
AgBr |
+e |
Ag +Br- |
0,071 |
I2 |
+2e |
2I- |
+0,621 |
|
|
AgCl |
+e |
Ag +Cl- |
0,224 |
2IO3-+12H+ |
+10e |
I2 +6H2O |
+1,19 |
|
|
AgI |
+e |
Ag +I- |
-0,152 |
2IO3-+6H2O |
+10e |
I2 +12OH- |
+0,21 |
|
|
Ag2S |
+2e |
2Ag +S2- |
-0,71 |
IO3-+6H+ |
+6e |
I-+3H2O |
+1,08 |
|
|
Al3+ |
+3e |
Al |
-1,66 |
IO3-+3H2O |
+6e |
I-+6OH- |
+0,26 |
|
|
Au3+ |
+2e |
Au+ |
+1,41 |
K+ |
+e |
K |
-2,925 |
|
|
Au3+ |
+3e |
Au |
+1,5 |
Li+ |
+e |
Li |
-3,03 |
|
|
Ba2+ |
+2e |
Ba |
-2,9 |
Mg2+ |
+2e |
Mg |
-2,37 |
|
|
BiO+ + 2H+ |
+3e |
Bi +H2O |
+0,32 |
Mn2+ |
+2e |
Mn |
-1,19 |
|
|
NaBiO3+ 4H+ |
+2e |
BiO++Na++2H2O |
+1,59 |
MnO2 +4H+ |
+2e |
Mn2+ +2H2O |
+1,23 |
|
|
Br2 |
+2e |
2Br- |
+1,087 |
MnO42-+4H+ |
+2e |
MnO2 +2H2O |
+2,26 |
|
|
2BrO3-+12H+ |
+10e |
Br2 +6H2O |
+1,52 |
MnO42-+2H2O |
+2e |
MnO2 +4OH- |
+0,6 |
|
|
2BrO3- +6H2O |
+10e |
Br2 +12OH- |
+0,50 |
MnO4- |
+e |
MnO42- |
+0,56 |
|
|
BrO3-+6H+ |
+6e |
Br-+3H2O |
+1,45 |
MnO4-+4H+ |
+3e |
MnO2+2H2O |
+1,69 |
|
|
BrO3-+3H2O |
+6e |
Br- +6OH- |
+0,61 |
MnO4-+2H2O |
+3e |
MnO2 +4OH- |
+0,6 |
|
|
2CO2 +2H+ |
+2e |
H2C2O4 |
-0,49 |
MnO4-+8H+ |
+5e |
Mn2+ +4H2O |
+1,51 |
|
|
Ca2+ |
+2e |
Ca |
-2,87 |
N2 +8H+ |
+6e |
2NH4+ |
+0,26 |
|
|
Cd2+ |
+2e |
Cd |
-0,402 |
HNO2 +H+ |
+e |
NO +H2O |
+0,99 |
|
|
Cl2 |
+2e |
2Cl- |
+1,359 |
NO2-+H2O |
+e |
NO +2OH- |
-0,46 |
|
|
2HOCl+2H+ |
+2e |
Cl2 +H2O |
+1,63 |
NO3-+ 2H+ |
+e |
NO2 +H2O |
+0,80 |
|
|
2ClO-+2H2O |
+2e |
Cl2+4OH- |
+0,40 |
NO3-+ H2O |
+e |
NO2 +2OH- |
-0,86 |
|
|
HClO+H+ |
+2e |
Cl-+H2O |
+1,50 |
NO3-+4H+ |
+3e |
NO +2H2O |
+0,96 |
|
|
ClO-+H2O |
+2e |
Cl-+2OH- |
+0,88 |
NO3-+2H2O |
+3e |
NO +4OH- |
-0,14 |
|
|
ClO3-+6H+ |
+6e |
Cl- +3H2O |
+1,45 |
2NO3-+12H+ |
+10e |
N2 +6H2O |
+1,24 |
|
|
2ClO3-+12H+ |
+10e |
Cl2+6H2O |
+1,47 |
NO3-+10H+ |
+8e |
NH4++3H2O |
+0,87 |
|
|
ClO3-+3H2O |
+6e |
Cl-+6OH- |
+0,63 |
Na+ |
+e |
Na |
-2,713 |
|
|
Co2+ |
+2e |
Co |
-0,28 |
Ni2+ |
+2e |
Ni |
-0,23 |
|
|
Cr2+ |
+2e |
Cr |
-0,91 |
O2 +4H+ |
+4e |
2H2O |
+1,229 |
|
|
Cr2O72-+14H+ |
+6e |
2Cr3+ +7H2O |
+1,33 |
O2+4H+(рН=7) |
+4e |
2H2O |
+0,815 |
|
|
CrO42-+4H2O |
+3e |
Cr(OH)3+5OH- |
-0,13 |
O2 +2H2O |
+4e |
4OH- |
+0,401 |
|
|
Cu2+ |
+2e |
Cu |
+0,337 |
O2 +2H+ |
+2e |
H2O2 |
+0,682 |
|
|
Cu+ |
+e |
Cu |
+0,521 |
H2O2 +2H+ |
+2e |
2H2O |
+1,77 |
|
|
Cu2+ |
+2e |
Cu+ |
+0,153 |
O3 +2H+ |
+2e |
O2 +H2O |
+2,07 |
|
|
F2 |
+2e |
2F- |
+2,87 |
O3 +H2O |
+2e |
O2 +2OH- |
+1,24 |
|
|
Fe3+ |
+e |
Fe2+ |
+0,771 |
Pb2+ |
+2e |
Pb |
-0,126 |
|
|
Fe3+ |
+3e |
Fe |
-0,036 |
Pt2+ |
+2e |
Pt |
+1,2 |
|
|
Fe2+ |
+2e |
Fe |
-0,44 |
SO42- +10H+ |
+8e |
H2S +4H2O |
+0,30 |
|
|
Fe(CN)63- |
+e |
Fe(CN)64- |
+0,356 |
SO42- +4H+ |
+2e |
H2SO3 +H2O |
+0,17 |
|
|
2H+ |
+2e |
H2 |
0,0000 |
SO42-+H2O |
+2e |
SO32-+2OH- |
-0,93 |
|
|
2H+(10-7M) |
+2e |
H2 |
-0,414 |
S2O82- |
+2e |
2SO42- |
+2,0 |
|
|
2H2O |
+2e |
H2 +2OH- |
-0,828 |
Sn2+ |
+2e |
Sn |
-0,140 |
|
|
H2O2 +2H+ |
+2e |
2H2O |
+1,77 |
Sn4+ |
+2e |
Sn2+ |
+0,15 |
|
|
Hg2+ |
+2e |
Hg |
+0,85 |
Zn2+ |
+2e |
Zn |
-0,763 |
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Важнейшие окислители и восстановители. Cоставление уравнений окислительно-восстановительных реакций и подбор стехиометрических коэффициентов. Влияние различных факторов на протекание реакций. Окислительно-восстановительный эквивалент, сущность закона.
лекция [72,5 K], добавлен 22.04.2013Важнейшие окислители и восстановители. Правила определения CO. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций и подбор стехиометрических коэффициентов. Влияние различных факторов на протекание ОВР. Электрохимический ряд напряжений металлов.
презентация [72,4 K], добавлен 11.08.2013Понятие окисления и восстановления. Типичные восстановители и окислители. Методы электронного и электронно-ионного баланса. Восстановление металлов из оксидов. Химические источники тока. Окислительно-восстановительные и стандартные электродные потенциалы.
лекция [589,6 K], добавлен 18.10.2013Окислительно-восстановительные реакции, при которых происходит процесс переноса электронов от одних атомов к другим. Направление самопроизвольного протекания реакций. Виды потенциалов и механизмы их возникновения, а также ряд напряжений металлов.
презентация [104,9 K], добавлен 18.05.2014Проведение качественных опытов, раскрывающих окислительные и восстановительные свойства отдельных веществ. Приобретение навыков составления окислительно-восстановительных уравнений методом электронного баланса. Техника безопасности при проведении опытов.
методичка [29,8 K], добавлен 09.03.2009Отличительные признаки окислительно-восстановительных реакций. Схема стандартного водородного электрода. Уравнение Нернста. Теоретические кривые титрования. Определение точки эквивалентности. Окислительно-восстановительные индикаторы, перманганатометрия.
курсовая работа [319,6 K], добавлен 06.05.2011Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса. Степень окисления как условный заряд атома элемента. Распространённые восстановители. Свободные неметаллы, переходящие в отрицательные ионы. Влияние концентрации.
презентация [498,5 K], добавлен 17.05.2014Определение водородного и гидроксильного показателей. Составление окислительно-восстановительных реакций и электронного баланса. Изменение степени окисления атомов реагирующих веществ. Качественные реакции на катионы различных аналитических групп.
практическая работа [88,2 K], добавлен 05.02.2012Положения теории окислительно-восстановительных реакций. Важнейшие окислители и восстановители. Кислородсодержащие соли элементов. Гидриды металлов. Метод электронного баланса. Особенности метода полуреакций. Частное уравнение восстановления ионов.
презентация [219,3 K], добавлен 20.11.2013Классификация окислительно-восстановительных реакций в органической и неорганической химии. Химические процессы, результат которых - образование веществ. Восстановление альдегидов в соответствующие спирты. Процессы термической диссоциации водного пара.
реферат [55,9 K], добавлен 04.11.2011Сущность и виды окисления - химических реакций присоединения кислорода или отнятия водорода. Ознакомление с методами восстановления металлов в водных и соляных растворах. Изучение основных положений теории окислительно-восстановительных реакций.
реферат [130,1 K], добавлен 03.10.2011Методы окислительно-восстановительного титрования. Основные окислители и восстановители. Факторы, влияющие на окислительно-восстановительные реакции. Применение реакции окисления-восстановления в анализе лекарственных веществ. Растворы тиосульфата натрия.
презентация [1,0 M], добавлен 21.10.2013Окислительно-восстановительные реакции. Колебательные химические реакции, история их открытия. Исследования концентрационных колебаний до открытия реакции Б.П. Белоусова. Математическая модель А.Лоткой. Изучение механизма колебательных реакций.
курсовая работа [35,4 K], добавлен 01.02.2008Задачи химической кинетики, стадии химического процесса. Открытые и замкнутые системы, закон сохранения массы и энергии. Закон Гесса и его следствие, скорость реакций. Явление катализа, гомогенные, гетерогенные, окислительно-восстановительные реакции.
курсовая работа [95,9 K], добавлен 10.10.2010Составление уравнении окислительно-восстановительных реакций, расчет их эквивалентных масс. Методы измерения электродвижущих сил гальванических элементов. Характеристика электролиза на основе закона Фарадея. Изучение процессов коррозии металлов.
методичка [245,6 K], добавлен 07.11.2011Исследование зависимости константы Генри от рН раствора, в котором растворяется газ, обладающий кислотными свойствами. Окислительно-восстановительные элементы и электродные потенциалы. Изучение влияния добавок на окислительно-восстновительные потенциалы.
контрольная работа [62,6 K], добавлен 12.10.2013Понятие и условия прохождения химических реакций. Характеристика реакций соединения, разложения, замещения, обмена и их применение в промышленности. Окислительно-восстановительные реакции в основе металлургии, суть валентности, виды переэтерификации.
реферат [146,6 K], добавлен 27.01.2012Определение молярной массы эквивалентов цинка. Определение концентрации раствора кислоты. Окислительно-восстановительные реакции. Химические свойства металлов. Реакции в растворах электролитов. Количественное определение железа в растворе его соли.
методичка [659,5 K], добавлен 13.02.2014Понятие титраметрического анализа. Окислительно-восстановительное титрование, его виды и условия проведения реакций. Расчет точек кривой титрования, потенциалов, построение кривой титрования. Подборка индикатора, расчет индикаторных ошибок титрования.
курсовая работа [399,3 K], добавлен 10.06.2012Материалы для выполнения лабораторных работ по курсу общей химии. Описание экспериментального выполнения работ по разделам: "Окислительно-восстановительные и электрохимические процессы", "Дисперсные системы", "Химия воды", "Коррозия и защита металлов".
методичка [1,0 M], добавлен 27.05.2012
