Определение направления протекания окислительно восстановительных реакций. Необратимые источники постоянного тока

При описании окислительно-восстановительных реакций нельзя ограничиваться лишь качественной стороной протекания процесса, а необходимо уметь и количественно характеризовать его, что позволяет определять направление данной реакции. Для количественной оценки окислительновосстановительных реакций важное значение имеют такие характеристики, как окислительно-восстановительные потенциалы и определение изменения энергии Гиббса системы.

Окислительно-восстановительные потенциалы. Рассмотрим реакцию взаимодействия цинка с раствором сульфата меди:

При постоянных температуре и давлении (25°С и 101 325 Па) в соответствии с законом Гесса процесс будет сопровождаться тепловым эффектом:

Цинк как восстановитель отдает электроны. Этот процесс можно изобразить в виде полуреакции

Ион меди как окислитель принимает электроны, что выражается второй полуреакцией

Обе полуреакции протекают в месте соприкосновения цинка с раствором CuS0 4 , и при этом электроны переходят непосредственно от цинка к ионам меди. Данную реакцию можно осуществить и так, чтобы окислительная и восстановительная полуреакции были пространственно разделены. Тогда электроны будут переходить от восстановителя к окислителю по проводнику электрического тока - внешней цепи. Для этого цинковую пластинку погружают в раствор ZnS0 4 , а медную - в раствор CuS0 4 . Если оба полученных полуэлемента соединить трубкой, заполненной токопроводящим раствором, то получится гальванический элемент Даниэля - Якоби (рис. 9.2).

Рис. 9.2.

гальванического элемента

В первом полуэлементе на цинковом электроде (анод) происходит окисление цинка, а во втором полуэлементе на медном электроде (катод) - восстановление меди. Электроны движутся от цинкового электрода по внешней цени к медному вследствие возникшей разности потенциалов. При суммировании уравнений обеих полуреакций получим уравнение токообразующей реакции:

Образующиеся в процессе окисления катионы цинка создают в растворе избыточный положительный заряд. Раствор, в котором находится медный электрод, обедняется катионами меди, поэтому этот раствор характеризуется избыточным отрицательным зарядом. В возникшем электрическом поле катионы меди и цинка перемещаются от цинкового электрода к медному, а анионы S0 4 + - от медного к цинковому электроду, что можно представить схемой

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента возникает за счет протекания окислителыю-восстаиовителыюй реакции. Движущей силой химической реакции является убыль энергии Гиббса AG , которая определяет максимальную работу химической реакции. При замыкании внешней цепи часть энергии системы расходуется на выделение джоулевой теплоты, нс сопровождающееся полезной работой, и процесс протекает необратимо. Максимальную же работу гальванический элемент совершает при обратимом проведении реакции в равновесных условиях. Это возможно тогда, когда ЭДС элемента полностью скомпенсирована внешней ЭДС (равной по величине и противоположной по знаку). При этом изменение свободной энергии определяется произведением протекающего через гальванический элемент электричества на напряжение элемента Е:

где п - число молей, передаваемых в процессе электронов; F - постоянная Фарадея (величина nF равна количеству электричества).

Если процесс протекает в стандартных условиях (25°С, активность ионов равна 1), то напряжение элемента обозначается Е°, а соответствующее изменение энергии - AG°. Уравнение (9.1) примет вид

Отрицательный знак правой части уравнения (9.2) показывает, что если электрохимический элемент самопроизвольно создает электрическое напряжение, то в результате система должна терять энергию. Величина Е°, называемая стандартным электродным (окислительно-восстановительным) потенциалом, представляет собой потенциал данного электродного процесса, в котором активность всех участвующих в нем ионов равна 1.

Чтобы определить Е°, необходимо иметь другую электродную систему с известным потенциалом. Объединяя две электродные системы в гальваническую ячейку, можно измерить ее ЭДС. В качестве стандартного электрода принята водородная система, состоящая из платиновой черни, насыщенной газообразным водородом. Значения стандартного электродного потенциала растворенных веществ относят к 1 М растворам, а для газообразных соединений - к 101 325 Па. Так как Е° для водородного электрода принят равным нулю, то АС° реакции

должно быть также условно принято равным нулю. Следовательно, если М" + (окисленная форма системы М и+ /М(т)) является лучшим окислителем (акцептором электронов), чем Н 3 0 то реакция

сопровождается уменьшением свободной энергии. Стандартный электродный потенциал такой реакции имеет положительное значение (уравнение (9.1)). С другой стороны, если М является лучшим восстановителем, чем водород, то стандартный электродный потенциал такой реакции будет отрицательным. Так, для системы

равновесие смещено в сторону образования металла, поэтому AG° Е° > 0; истинное значение Е° = +0,80 В.

Например, у натрия равновесие «металл - ион металла» смещено в сторону иона и Е° = -2,71 В.

Из этих примеров легко понять, что реакции с участием сильноосновных элементов (Li, К, Na, Са и т.д.), которые легко отдают электроны (восстановители), характеризуются отрицательным значением Е° , в то время как реакциям с участием слабоосновных элементов, имеющих тенденцию к присоединению электронов (окислители), отвечают положительные значения Е°. Ряд элементов, расположенных в порядке возрастания стандартных электродных потенциалов, называют электрохимическим рядом (табл. 9.1).

В процессах образования катионов в растворе элемент, стоящий выше в этом ряду, будет вытеснять элементы, стоящие ниже.

Из табл. 9.1 ясно, что хлор (Е° = +1,36) - более сильный окислитель, чем бром (Е° = +1,07), а цинк (Е° = -0,76) - более сильный восстановитель, чем свинец (Е° = -0,13).

Таблица 9.1

Электрохимический ряд

Если требуется сравнить две окислительно-восстановительные системы и выяснить, в каком направлении может протекать реакция, то необходимо сопоставить их нормальные потенциалы. Система, характеризующаяся более положительным потенциалом, будет играть роль окислителя, т.е. проявлять тенденцию к присоединению электронов. Так, если смешать растворы солей (Sn 4+ , Sn 2 ") и (Fe 3+ , Fe 2+), то реакция

пойдет слева направо, так как Е р е > Е$ п.

Многие окислители являются анионами кислородсодержащих кислот, и их реакции обычно протекают в кислой среде:

В табл. 9.2 приведены значения восстановительных потенциалов окислительно-восстановительных систем в водных растворах.

Таблица 9.2

Стандартные потенциалы некоторых окислительно-восстановительных систем

в водных растворах при 25°С

Часто вместо символа Е° используют символ ср°.

Пользуясь данными табл. 9.1 и 9.2, можно определить, в какую сторону будут протекать реакции с участием FeCl 3 и галогенидами, что представлено в общем виде:

Для пяти возможных электродных реакций находим значения стандартных электродных потенциалов:

Представим предполагаемую реакцию в ионной форме:

Известно, что самостоятельный переход электронов происходит от электрохимической системы с более низким значением электродного потенциала к системе с более высоким его значением. Из этого следует, что первая из этих систем будет восстановителем, а вторая - окислителем. Разность между значениями Е° в реакции FeCl 3 с галогенидами будет соответственно равна: для KF Е° = 0,77 - 2,80 = -2,03 В; для КС1 Е° = 0,77 - 1,36 = -0,59 В; для КВг Е° = 0,77 - 1,07 = -0,30 В; для KI Е° = 0,77 - 0,54 = +0,23 В. Как видим, разность между стандартными потенциалами имеет положительное значение только в случае KI, поэтому именно в присутствии иодида калия реакция протекает слева направо, т.е. будет происходить восстановление Fe 3 " до Fe 2+ .

Рассмотрим возможность окисления ЫВг водными растворами КМп0 4 или К 2 Сг 2 0 7 .

Для систем

значения Е° соответственно равны +1,51 В и +1,33 В.

Для реакции Вг 2 + 2е~ -» 2Вг; Е° = +1,07 В.

Следовательно, оба раствора будут окислять НВг.

Иногда приходится иметь дело и с такими окислительно-восстановительными реакциями, когда значения Е° для окислителя и восстановителя близки между собой. В таких случаях для решения вопроса о направлении реакции необходимо учитывать влияние концентраций окисленной и восстановленной форм соответствующих веществ на электродные потенциалы. Уравнение, связывающее величину электродного потенциала с концентрациями окисленной и восстановленной форм вещества и температурой, имеет вид

где R - молярная газовая постоянная; п - число передаваемых в процессе молей электронов; Т - абсолютная температура; F - постоянная Фарадея; [ок| - концентрация окисленной формы; [вое| - концентрация восстановленной формы; тц - коэффициенты в уравнении реакции. Используя соотношение (9.3), называемое уравнением Нернста, рассмотрим реакцию

которая самопроизвольно может идти в обоих направлениях в зависимости от концентраций ионов железа и ртути. При этом имеют место две электрохимические системы:

Каждому электродному процессу в соответствии с формулой (9.3) отвечают следующие потенциалы:

Допустим, что = = 10 1 моль/1000 г Н 2 0, a = 10 4 моль/ 1000 г Н 2 0. Подставляя эти данные в соотношения для?, и E v получим

Эти данные показывают, что Е { > Е 2 . Следовательно, реакция протекает слева направо.

Если представить обратное соотношение концентраций, т.е. |Hg 2 + ] = = |Fe 2+ ] = 10" 4 , a = 10" 1 моль/1000 г Н 2 0, то

Имеем?, E v поэтому реакция протекает справа налево.

Направление и полноту протекания окислительно-восстановительной реакции можно определить исходя из константы равновесия. Так, для процесса, выражаемого следующими двумя полуреакциями:

где mw q - стехиометрические множители окислительно-восстановительной реакции, произведение mwq равно количеству электронов, передаваемых в ходе реакции.

Поскольку в момент равновесия наступает равенство потенциалов окислителя и восстановителя, то, пользуясь уравнением (9.3), можно рассчитать К? . Обозначим Е ок = E v а Е вос = ?. ; , т.е. Е х = Е.;, тогда в соответствии с уравнением Нернста имеем

Подставив значения R> Т и F, например, при 25°С, получим

откуда следует, что

Так как , то

Следовательно,

где п - число электронов, передаваемых в процессе. Например, для реакции

Если К? > 1, то реакция протекает в направлении образования ее продуктов, т.е. слева направо. Когда К? 1, то реакция смещена в сторону исходных веществ.

Критерием самопроизвольного протекания химических процессов является изменение свободной энергии Гиббса (ΔG  О). Изменение энергии Гиббса ОВР связано с разностью окислительно-восстановительных (электродных) потенциалов участников окислительно-восстановительного процесса Е:

где F – постоянная Фарадея; n – число электронов, участвующих в окислительно-восстановительном процессе; Е – разность окислительно-восстано-вительных потенциалов или электродвижущая сила ОВР (ЭДС гальванического элемента, образованного двумя окислительно-восстановительными системами):

Е =  0 –  В,

где  0 – потенциал окислителя,  В – потенциал восстановителя.

Учитывая вышеизложенное: ОВР протекает в прямом направлении, если ее ЭДС положительна, т.е. Е  О; в противном случае (Е  О) ОВР будет протекать в обратном направлении. ЭДС, вычисленная для стандартных условий, называется стандартной и обозначается Е.

Пример 1: Определите, возможно ли протекание реакции в прямом направлении при стандартных условиях:

2Fe 3+ + 2 I 2Fe 2+ + I 2 .

При протекании реакции в прямом направлении окислителем будут являться ионы Fe3+, восстановителем – иодид-ионы (I). Рассчитаем стандартную ЭДС:

Ответ: протекание данной реакции возможно только в прямом направлении.

Пример 2. Определите направление протекания реакции при стандартных условиях:

2KCI + 2MnCI 2 + 5CI 2 + 8H 2 O  2KMnO 4 + 16HCI.

Предположим, что реакция протекает в прямом направлении, тогда

Протекание реакции в прямом направлении невозможно. Она будет протекать справа налево, в этом случае .

Ответ: данная реакция протекает справа налево.

Таким образом, реакция будет протекать в направлении, в котором ЭДС положительна. Всегда системы с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом будут окислять системы с более низким его значением.

10. Электрохимические процессы

Процесс взаимного превращения химической и электрохимической форм энергии называют электрохимическими процессами. Электрохимические процессы можно разделить на две основные группы:

1) процессы превращения химической энергии в электрохимическую (в гальванических элементах);

2) процессы превращения электрической энергии в химическую (электролиз).

Электрохимическая система состоит из двух электродов и ионного проводника между ними (расплав, раствор электролита или твёрдые электролиты – проводники 2-го рода). Электродами называют проводники первого рода, имеющие электронную проводимость и находящиеся в контакте с ионным проводником. Для обеспечения работы электрохимической системы электроды соединяют друг с другом металлическим проводником, называемым внешней цепью электрохимической системы.

10.1. Гальванические элементы (химические источники электрического тока)

Гальванический элемент (ГЭ) – это устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в энергию электрического тока. Теоретически для получения электрической энергии можно применить любую ОВР.

Рассмотрим один из наиболее простых ГЭ – медно – цинковый, или элемент Даниэля – Якоби (рис. 10.1). В нём проводником соединяются пластинки из цинка и меди, при этом каждый из металлов опущен в раствор соответствующей соли: сульфата цинка и сульфата меди (II). Полуэлементы соединены электролитическим ключом 1 , если находятся в разных сосудах или разделены пористой перегородкой, если находятся в одном сосуде.

Рассмотрим сначала состояние этого элемента при разомкнутой внешней цепи – режим «холостого хода». На электродах в результате процесса обмена устанавливаются следующие равновесия, которым в стандартных условиях соответствуют стандартные электродные потенциалы:

Zn 2+ + 2e -  Zn
= - 0,76В

Cu 2+ + 2e -  Cu
= +0,34В.

Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, поэтому при замыкании внешней цепи, т.е. при соединении цинка с медью металлическим проводником, электроны будут переходить от цинка к меди. В результате перехода электронов от цинка к меди равновесие на цинковом электроде сместится влево, поэтому в раствор перейдёт дополнительное количество ионов цинка (растворение цинка на цинковом электроде). В то же время равновесие на медном электроде сместится вправо и произойдёт разряд ионов меди (выделение меди на медном электроде). Данные самопроизвольные процессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются потенциалы электродов или не растворится весь цинк (или вся медь не осадится на медном электроде).

Итак, при работе элемента Даниэля – Якоби протекают следующие процессы:

1) движение электронов во внешней цепи от цинкового электрода к медному, т.к.
<
;

2) реакция окисления цинка: Zn – 2e - = Zn 2+ .

Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых идут процессы окисления, называют анодами; следовательно, цинковый электрод – анод;

3) реакция восстановления ионов меди: Сu 2+ + 2е = Сu.

Процессы восстановления в электрохимии получили название катодных процессов, а электроды, на которых идут процессы восстановления, называют катодами; следовательно, медный электрод – катод;

4) движение ионов в растворе: анионов (SO 4 2-) к аноду, катионов (Cu 2+ ,Zn 2+) к катоду, замыкает электрическую цепь гальванического элемента;

5) cуммируя электродные реакции, получаем:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

или в молекулярном виде: Zn + CuSO 4 = Cu + ZnSO 4 .

Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи ионов внутри элемента, т.е. электрический ток, поэтому суммарная химическая реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей .

При схематической записи, заменяющей рисунок гальванического элемента, границу раздела между проводником 1-го рода и проводником 2-го рода обозначают одной вертикальной чертой, а границу раздела между проводниками 2-го рода – двумя чертами. Анод – источник электронов, поступающих во внешнюю цепь – принято считать отрицательным, катод – положительным. Анод помещается в схеме слева. Схема ГЭ Даниэля – Якоби, например, записывается в виде:

(-) Zn |ZnSO 4 | |CuSO 4 | Cu (+)

или в ионно-молекулярном виде:

(-) Zn |Zn 2+ ||Cu 2+ | Cu (+).

Причиной возникновения и протекания электрического тока в гальваническом элементе является разность окислительно-восстановитель-ных потенциалов (электродных потенциалов 1 ) частных реакций, определяющих электродвижущую силу Е э гальванического элемента, и в рассматриваемом случае:

В общем случае: Е э =  к -  а ,

где  к – потенциал катода,  а – потенциал анода.

Е э всегда больше нуля (Е э > О). Если реакция осуществляется в стандартных условиях, то наблюдаемая при этом ЭДС называется стандартной электродвижущей силой данного элемента. Для элемента Даниэля – Якоби стандартная ЭДС= 0,34 – (-0,76) = 1,1(В).

Пример.

Составьте схему, напишите уравнения электродных процессов и токообразующей реакции для гальванического элемента, образованного висмутом и железом, опущенных в растворы собственных солей с концентрацией ионов металлов в растворе C Bi 3+ = 0,1 моль/л, C Fe 2+ = 0,01 моль/л. Рассчитайте ЭДС этого элемента при 298К.

Решение.

Концентрации ионов металлов в растворе отличны от концентрации 1 моль/л, поэтому нужно рассчитать потенциалы металлов по уравнению Нернста, сравнить их и определить анод и катод.

 ме n + /ме =  о ме n + /ме +
lgСме n + ;

 Bi 3+ / Bi = 0,21 +
lg10 -1 = 0,19В;  F е 2+ / F е = -0,44 +
lg10 -2 = - 0,499В.

Железный электрод – анод, висмутовый – катод. Схема ГЭ:

(-)Fe |Fe(NO 3) 2 ||Bi(NO 3) 3 |Bi(+)

или (-) Fe|Fe 2+ ||Bi 3+ |Bi (+).

Уравнения электродных процессов и токообразующей реакции:

А:Fe - 2 = Fe 2+ 3

К:Bi 3+ + 3 = Bi 2

3 Fe + 2Bi 3+ = 3Fe 2+ + 2 Bi

ЭДС данного элемента Е э = 0,19 – (-0,499) = 0,689 В.

В ряде случаев металл электрода не претерпевает изменений в ходе электродного процесса, а участвует лишь в передаче электронов от восстановленной формы вещества к его окисленной форме. Так, в гальваническом элементе

Pt |Fe 2+ , Fe 3+ || MnO, Mn 2+ , H + | Pt

роль инертных электродов играет платина. На платиновом аноде окисляется железо (II):

Fe 2+ - е - = Fe 3+ ,

,

а на платиновом катоде восстанавливается MnO:

MnO 4 - + 8H + + 5e - = Mn 2+ + 4H 2 O, .

Уравнение токообразующей реакции:

5Fe 2+ + MnO 4 - + 8H + = 5Fe 3+ + Mn 2+ + 4H 2 O

Стандартная ЭДС Е=1,51-0,77=0,74 В.

Гальванический элемент может быть составлен не только из различных, но и из одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, различающиеся только концентрацией (концентрационные гальванические элементы). Например:

(-) Ag |Ag + ||Ag + |Ag (+)

C Ag  C Ag

Электродные реакции: A: Ag – eˉ = Ag + ;

K: Ag + + eˉ = Ag.

Уравнение токообразующей реакции: Ag+Ag + =Ag + +Ag.

Свинцовый аккумулятор. Готовый к употреблению свинцовый аккумулятор состоит из решётчатых свинцовых пластин, одни из которых заполнены диоксидом свинца, а другие – металлическим губчатым свинцом. Пластины погружены в 35 – 40 % раствор H 2 SO 4 ; при этой концентрации удельная электропроводность раствора серной кислоты максимальна.

При работе аккумулятора – при его разряде – в нём протекает ОВР, в ходе которой свинец (Pb) окисляется, а диоксид свинца восстанавливается:

(-) Рb|H 2 SO 4 | РbО 2 (+)

А: Рb + SO –2еˉ = РbSO 4

К: РbО 2 + SO + 4Н + + 2еˉ = PbSO 4 + 2H 2 O

Pb + PbO 2 + 4H + + 2SO 4 2- = 2PbSO 4 + 2H 2 O (токообразующая реакция).
.

Во внутренней цепи (в растворе Н 2 SO 4) при работе аккумулятора происходит перенос ионов: ионы SO 4 2- движутся к аноду, а катионы Н + - к катоду. Направление этого движения обусловлено электрическим полем, возникающим в результате протекания электродных процессов: у анода расходуются анионы, а у катода – катионы. В итоге раствор остаётся электронейтральным.

Для зарядки аккумулятора подключаются к внешнему источнику постоянного тока (“+” к “+”, “–“ к “–“). При этом ток протекает через аккумулятор в обратном направлении, обратном тому, в котором он проходил при разряде аккумулятора; в электрохимической системе осуществляется электролиз (см. р. 10.2). В результате этого электрохимические процессы на электродах «обращаются». На свинцовом электроде теперь происходит процесс восстановления (электрод становится катодом):

PbSO 4 + 2eˉ = Pb + SO 4 2- .

На электроде из PbO 2 при заряде идёт процесс окисления (электрод становится анодом):

PbSO 4 + 2H 2 O - 2eˉ = PbO 2 + 4H + + SO 4 2- .

Суммарное уравнение:

2PbSO 4 + 2H 2 O = Pb + PbO 2 + 4H + + 2SO 4 2- .

Нетрудно заметить, что этот процесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора: при заряде аккумулятора в нём вновь получаются вещества, необходимые для его работы.

По величинам стандартных окислительно-восстановительных потенциалов (Е 0) можно судить о направлении окислительно-восстановительной реакции.

Например . Для уравнения реакции

MnO 4 — + 5Fe 2+ + 8H + → Mn 2+ + 5Fe 3+ + 4H 2 O

самопроизвольно прямая реакция будет протекать, если стандартный потенциал окислительно-восстановительной пары окислителя больше, чем стандартный потенциал окислительно-восстановительной пары восстановителя, а ΔЕ > 0 . Табличные значения стандартных электродных потенциалов для следующих окислительно-восстановительных пар:

Е 0 (MnO 4 — /Mn 2+) = 1,51 B; Е 0 (Fe 3+ /Fe 2+) = 0,77 B.

Величина 1,51 В > 0,77 В, следовательно, при контакте перманганат ион MnO 4 — выступает в роли окислителя, а катион железа Fe 2+ — восстановителя, протекает прямая реакция. Вычисляем ΔЕ этой реакции:

ΔЕ = Е 0 ок – Е 0 восст = 1,51 – 0,77 = 0,74 В.

Величина ΔЕ положительная, реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении. Если ΔЕ окажется отрицательной величиной, то реакция протекает в обратном направлении в стандартных условиях.

Например. Может ли хлор Cl 2 окислить бромид-ион Br — до брома Br 2 ?

Выпишем из справочной таблицы значения стандартных потенциалов окислительно-восстановительных пар:

Е 0 (Cl 2 /2Cl —) = 1,36 B; Е 0 (Br 2 /2Br —) = 1,07 В.

Из значений стандартных потенциалов видно, что величина 1,36 В > 1,07 В, следовательно, хлор будет окислять бромид–ион до брома по уравнению реакции:

Cl 2 + 2Br — = 2Cl — + Br 2

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы (Е 0)
по отношению к потенциалу стандартного водородного электрода при 25 °С

Понятие электродного потенциала применимо не только к паре Ме n + |Ме о, но и к любой сопряженной системе окисленная форма|восстановленная форма. Его называют окислительно-восстановительным потенциалом. Окислительно-восстановительный потенциал, измеренный при стандартных условиях, называется стандартным окислительно-восстановительным потенциалом. В электрохимии принято все электродные равновесия записывать в направлении процесса восстановления, то есть присоединения электронов:

Zn 2+ + 2e – = Zn , Е о = - 0,76 В

Значения стандартных окислительно-восстановительных потенциалов сведены в справочные таблицы и используются для термодинамического анализа возможности протекания ОВР в водных растворах.

Самопроизвольно протекающие реакции характеризуются отрицательной величиной энергии Гиббса ∆G o 298 . Энергии Гиббса окислительно-восстановительной реакции может быть выражена как работа электрического тока, совершаемая в гальваническом элементе, и может быть связана с ЭДС элемента. Эта связь для стандартных условий дается соотношением

где DG 0 – стандартная энергия Гиббса реакции, Дж; z – число молей электронов, переходящих от окислителя к восстановителю в данной реакции, моль (определяется как наименьшее общее кратное от принятых и отданных электронов); F – постоянная Фарадея, равная 96 484 Кл/моль; DE 0 – стандартная ЭДС гальванического элемента, в основе которого лежит данная реакция, В.

Значения DE 0 вычисляют через стандартные потенциалы полуреакций окисления и восстановления, причем от потенциала окислителя нужно вычитать потенциал восстановителя:

.

Значения стандартных потенциалов полуреакций окисления и восстановления могут быть использованы для вычисления констант равновесия реакций исходя из следующего соотношения:

Откуда можно выразить константу равновесия реакции K равн:

.

После подстановки в последнее выражение постоянных F и R , а также стандартной температуры 298 К (так как значения стандартных потенциалов приводятся при стандартной температуре) и после перехода от натурального логарифма к десятичному выражение для константы равновесия примет следующий вид:

.

Энергия Гиббса реакции служит для определения термодинамической возможности протекания реакций и для установления направления протекания обратимых реакций. Реакция термодинамически возможна , или протекает слева направо , если

Реакция термодинамически невозможна , или протекает справа налево , если

Пример. Определите возможность окисления в стандартных условиях соляной кислоты бихроматом калия. Ответ подтвердите расчетом стандартной энергии Гиббса и константы равновесия реакции.

Решение . Записываем уравнение окислительно-восстановительной реакции и составляем полуреакции окисления и восстановления:

Значения стандартных потенциалов полуреакций восстановления () и окисления () берем из табл. 4 в приложении. Вычисляем DE 0:

Рассчитываем энергию Гиббса реакции по формуле ∆G o 298 = – z∙F∙∆E o . Число молей электронов, которое переходит от окислителя к восстановителю, определяем по стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции. В реакции участвует 1 моль K 2 Cr 2 O 7 , который принимает 6 электронов от 6 ионов Cl – . Поэтому в данной реакции z = 6. Энергия Гиббса реакции в стандартных условиях равна

Определяем константу равновесия:

.

Для данной реакции DG 0 > 0 и K равн < 1, следовательно, реакция термодинамически невозможна в стандартных условиях.

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Коррозия металлов – это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате химического и электрохимического взаимодействия с окружающей средой.

Химическая коррозия обусловливается взаимодействием металлов с сухими газами (O 2 , SO 2 , H 2 S и т. д.) и жидкими неэлектролитами (смазочные масла, нефть, керосин).

4Ag + 2H 2 S + O 2 = 2Ag 2 S + 2H 2 O

Этой реакцией объясняется потемнение серебряных изделий на воздухе.

Электрохимическая коррозия происходит при контакте металлов с электролитами под воздействием возникающих гальванических пар (коррозионных гальванических пар). При электрохимической коррозии протекают одновременно два процесса:

1) анодный процесс (окисление металла)

Ме о – ne – = Ме n +

2) катодный процесс (восстановление окислителя)

O 2 + 2H 2 O + 4e – = 4OH – (если окислитель –кислород)

2H + + 2e – =H 2 (если окислитель – кислота)

Кислородная коррозия протекает в нейтральных и основных растворах, а водородная коррозия – в кислых растворах.

Пример. Рассмотрим процесс электрохимической коррозии оцинкованного и никелированного железа во влажном воздухе (нейтральная среда) и в соляной кислоте, если покрытие нарушено?

Решение . Исходя из положения металлов в ряду стандартных электродных потенциалов, находим, что цинк более активный металл ( B), чем железо ( B), и в образующейся коррозионной гальванической паре цинк будет анодом, а железо – катодом. Цинковый анод растворяется.

Анодный процесс:

Zn – 2e – = Zn 2+

Электроны с цинка переходят на железо, и на границе железо – электролит происходит восстановление окислителя.

Катодный процесс:

2H + + 2e – =H 2 (кислая среда)

Продуктом коррозии в кислой среде является соль ZnCl 2 ,в нейтральной среде – гидроксид Zn(OH) 2:

Zn + 2НCl = ZnCl 2 + H 2

2Zn + O 2 + 2H 2 O = 2Zn(OH) 2

Tаким образом, цинковое (анодное) покрытие защищает железо от коррозии.

В паре Fe – Ni более активным металлом является железо ( B), оно выступает в роли анода и подвергается разрушению.

Анодный процесс:

Fe – 2e – = Fe 2+

Катодный процесс:

2H + + 2e – = H 2 (кислая среда)

O 2 + 2H 2 O + 4e – = 4OH – (нейтральная среда)

Продуктом коррозии в кислой среде является соль FeCl 2 , а в нейтральной – Fe(OH) 2 , который в присутствии кислорода в электролите окисляется:

Fe + 2НCl = FeCl 2 + H 2

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

При этом образуются рыхлые слои бурой ржавчины.

Покрытия железа менее активными металлами (катодные покрытия) эффективны до тех пор, пока не нарушены.

Химически чистые металлы более устойчивы к коррозии, чем сплавы металлов.

Пример. Чем вызывается коррозия чугуна?

Решение . Чугун имеет неоднородный состав. Чугун – это сплав железа с углеродом, он содержит зерна цементита Fe 3 C. Между свободным металлом и его соединением возникает гальваническая пара. Анодом в этом случае является металл, а катодом – зерна цементита, так как в нем часть электронов проводимости израсходована на образование химической связи. При наличии влаги железо (анод) начинает переходить в ионы Fe 2+ , которые дают с ионами OH – , образовавшимися на зернах цементита (катод), гидроксид железа (II), окисляющийся кислородом до ржавчины.

Анодный процесс:

Fe – 2e – = Fe 2+

Катодный процесс:

O 2 + 2H 2 O + 4e – = 4OH –

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

Похожая информация.

В каждой окислительно-восстановительной реакции, в том числе в реакции

Zn + CuSO 4 = ZnSO 4 + Cu (1)

участвуют две окислительно-восстановительные пары - восстановитель (Zn) и его окисленная форма (Zn 2+); окислитель (Cu 2+) и его восстановленная форма (Cu). Мерой окислительно-восстановительной способности данной пары является окислительно-восстановительный или электродный потенциал, который обозначают , где Ox – окисленная форма, Red – восстановленная форма (например, , ). Измерить абсолютное значение потенциала невозможно, поэтому измерения осуществляют относительно эталона, например стандартного водородного электрода.

Стандартный водородный электрод состоит из платиновой пластинки, покрытой тонким порошком платины, погруженной в раствор серной кислоты с концентрацией ионов водорода, равной 1 моль/л. Электрод омывают током газообразного водорода под давлением 1,013 · 10 5 Па при температуре 298 К. На поверхности платины протекает обратимая реакция, которую можно представить в виде:

2H + + 2 Û H 2 .

Потенциал такого электрода принимают за нуль: В (размерность потенциала – Вольт).

Стандартные потенциалы измерены или рассчитаны для большого числа окислительно-восстановительных пар (полуреакций) и приведены в таблицах. Например, . Чем больше значение , тем более сильным окислителем является окисленная форма (Оx) данной пары. Чем меньше значение потенциала, тем более сильным восстановителем является восстановленная форма (Red) окислительно-восстановительной пары.

Ряд металлов, расположеных в порядке увеличения их стандартных электродных потенциалов, называют электрохимическим рядом напряжений металлов (рядом активности металлов):

Li Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Bi Cu Ag Hg Au

E 0 < 0 E 0 =0 E 0 > 0

Начинается ряд наиболее активными металлами (щелочными), а завершается «благородными», т.е. трудноокисляемыми металлами. Чем левее расположены в ряду металлы, тем более сильными восстановительными свойствами они обладают, они могут вытеснять из растворов солей металлы, стоящие правее. Металлы, расположенные до водорода, вытесняют его из растворов кислот (кроме HNO 3 и H 2 SO 4 конц).

В тех случаях когда система находится в нестандартных условиях, значе-

,

где – потенциал системы при нестандартных условиях, В;

– потенциал системы при стандартных условиях, В;

R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль К);

T – температура, К;

n – число электронов, участвующих в процессе;

F – число Фарадея (96500 К/моль);

А, в – произведение концентраций (моль/л) окисленной и восстановленной форм участников процесса, возведенных в степень стехиометрических коэффициентов.

Концентрации твердых веществ и воды принимают за единицу.

При температуре 298 К, после подстановки численных значений R и F,

уравнение Нернста принимает вид:

. (2)

Так, для полуреакции

Û

уравнение Нернста

Используя значения электродных потенциалов, можно определить направление самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции. В ходе ОВР электроны всегда перемещаются от пары, содержащей восстановитель, к паре, содержащей окислитель. Обозначим

Электродный потенциал пары, содержащей окислитель;