Pamantayan para sa direksyon ng RIA

Ang kurso ng mga reaksyon ng redox ay nakasalalay sa likas na katangian ng mga nakikipag-ugnay na sangkap at sa mga kondisyon ng mga reaksyon. 1. Mula sa konsentrasyon ng reagent

Zn+h2so4/1(razb)=znso4/2+h2(OxH/+)

Zn+2h2so4/6(konc)=Znso4/2+s+2h2o (OxS/6)

2. Mga temperatura ng reaksyon

Cl2+2koh=kcl/-1+kclo/-1+h2o (malamig)

• 3Cl2+6koh=5kcl/-1+kclo3/+5+3h20 (mainit)
• 3. Ang pagkakaroon ng isang katalista.
• 4nh3/-3+3o2=2n2+6h2o/-2 (bez)
• 4nh3/-3+5o2=4no/2+6h2o/-2 (c)
• 4. Impluwensya ng kalikasan ng kapaligiran - nagaganap ang mga reaksiyong redox sa iba't ibang kapaligiran.
• 2kmno4/7+5na2so3/4+3h2so4=2mnso4/2+5na2so4/6+k2so4+3h20 (kisl)
• 2kmno4/7+3na2so3/4+h2o=2mno2/4+3na2so4/6+2koh (neu)
• 2kmno4/7+na2so3/4+2koh=2k2mno4/6+na2so4/6+h2o (shel)

Ang mga reaksyon ng redox ay kusang nagpapatuloy palagi patungo sa pagbabago ng isang malakas na ahente ng oxidizing sa isang mahinang conjugated na ahente ng pagbabawas o isang malakas na ahente ng pagbabawas sa isang mahinang conjugated na ahente ng oxidizing. Ang direksyon ng reaksyon ng redox ay maaaring mahulaan sa pamamagitan ng pagsusuri sa mga halaga ng mga potensyal na redox ng mga conjugated na pares.

hindi maibabalik na mga mapagkukunan direktang kasalukuyang. Mga halimbawa

Ang mga galvanic cell ay inuri bilang mga chemical current sources kung saan ang direktang conversion ng kemikal na enerhiya sa elektrikal na enerhiya ay nagaganap. Ang mga galvanic cell ay pangunahing pinagmumulan ng kasalukuyang kemikal kung saan ang mga reaksiyong kemikal ay hindi maibabalik. Sa pinakasimpleng anyo nito, ang cell ay binubuo ng dalawang electrodes na gawa sa iba't ibang mga metal, na nahuhulog sa isang electrolyte solution. Kasabay nito, ang isa sa mga electrodes (cathode) ay sumasailalim sa isang reaksyon ng paglusaw ng materyal na elektrod - o oksihenasyon, kung saan ang elektrod ay nawawala ang mga electron, na nagbibigay sa kanila sa isang panlabas na de-koryenteng circuit. Sa kabilang elektrod (anode) mayroong isang pagbawas na reaksyon - neutralisasyon ng mga ions ng materyal na nakapalibot sa elektrod, dahil sa mga electron na nagmumula sa katod sa pamamagitan ng panlabas na circuit. Potensyal na pagkakaiba ( puwersa ng electromotive) para sa iba't ibang elemento ay nasa hanay mula 0.85 hanggang 6 V. Sa pinakakaraniwang ginagamit na mga galvanic cell (para sa pagpapagana ng mga radyo, flashlight, atbp.), ang positibong elektrod ay isang carbon rod at isang masa ng activated carbon o isang pinaghalong manganese dioxide na may graphite, at ang negatibo ay isang zinc lining 3 sa anyo ng isang tasa o tasa. Ang solusyon sa ammonia ay kadalasang ginagamit bilang isang electrolyte. Ang elemento ng biskwit ay binibigyan ng isang patag na hugis, na maginhawa para sa koneksyon sa isang baterya. Ang isang espesyal na electrically conductive layer ay inilalapat sa panlabas na bahagi ng zinc electrode, na hindi pinapayagan ang electrolyte na dumaan. Ang pinagsama-samang elemento ay natatakpan ng isang manipis na vinyl chloride film. Ang nasabing aparato ay may, halimbawa, isang Krona na baterya. Ang patong ng pelikula ay naghihiwalay sa mga indibidwal na elemento mula sa mga gilid, pinipigilan ang pagtagas ng electrolyte, ngunit madaling pumasa sa mga gas na nabuo sa loob ng elemento. Ang masa ng activated carbon ay bahagyang nakausli mula sa biskwit para sa madaling kontak sa isa pang biskwit. Sa mga bateryang ito, ang aktibong materyal ay ginagamit nang mas mahusay at mas ganap kaysa sa mga baterya ng tasa. Ang mga dry galvanic na elemento ay inihahatid sa mamimili sa tapos na anyo; tubig-puno bago gamitin ay dapat na puno ng malinis na tubig. Ang boltahe ng isang galvanic cell ay palaging mas mababa kaysa sa emf na nabuo nito, una, dahil sa pagbaba ng boltahe sa loob ng cell sa kanyang panloob na pagtutol, pangalawa, dahil sa hindi pangkaraniwang bagay ng polariseysyon ng mga electrodes bilang isang resulta ng mga electrochemical reaksyon na nagaganap sa ibabaw ng mga electrodes sa ilalim ng impluwensya ng kasalukuyang pagpasa sa circuit. Halimbawa, ang paglabas ng hydrogen sa cathode at oxygen sa anode ay sinamahan ng paglitaw ng mga potensyal na polariseysyon, na nakadirekta patungo sa mga potensyal na elektrod at binabawasan ang mga ito. Upang mabawasan ang epekto ng polariseysyon sa pagpapatakbo ng elemento, ginagamit ang mga depolarizer - mga sangkap na kumukuha ng hydrogen o oxygen, tumutugon sa kanila at sa gayon ay nakakatulong upang mabawasan ang potensyal ng polariseysyon. Sa galvanic cells na may carbon electrode, ang manganese dioxide ay ginagamit bilang isang depolarizer. Papasok sa de-koryenteng circuit upang makakuha ng boltahe na lumampas sa boltahe ng isang elemento, ang mga elemento ay konektado sa isang baterya, kasama ang mga ito sa serye, iyon ay, ang positibong poste ng bawat nakaraang elemento ay konektado sa negatibong poste ng susunod (Larawan 3.3, a ). Ang kabuuang electromotive force ng baterya sa kasong ito ay katumbas ng kabuuan ng electromotive forces ng mga indibidwal na cell:

E tungkol sa \u003d E 1 + E 2 + E 3 + ... + E n.

Kapag ang mga elemento ay pareho at ang kanilang emf. ay pantay, e.m.f. isang baterya ng n mga cell

E tungkol sa \u003d n * E el.

Ang mga galvanic cell ay dapat protektahan mula sa mga short circuit at hindi inirerekomenda na suriin ang "para sa isang spark". Ang kanilang boltahe ay dapat masukat sa ilalim ng pagkarga. Sa kawalan ng load, ang voltmeter ay magpapakita ng emf, na hindi nagpapakilala sa antas ng paggamit ng baterya.

Spontaneous flow criterion mga proseso ng kemikal ay ang pagbabago sa libreng enerhiya ng Gibbs (ΔG< О). Изменение энергии Гиббса ОВР связано с разностью окислительно-восстановительных (электродных) потенциалов участников окислительно-восстановительного процесса Е:

kung saan ang F ay pare-pareho ng Faraday; n ay ang bilang ng mga electron na kasangkot sa proseso ng redox; E - redox potential difference o OVR electromotive force (EMF ng isang galvanic cell na nabuo ng dalawang redox system):

E \u003d j 0 - j B,

kung saan ang j 0 ay ang potensyal ng oxidizer, ang j B ay ang potensyal ng reductant .

Dahil sa itaas: Ang OVR ay dumadaloy sa pasulong na direksyon kung ang EMF nito ay positibo, ibig sabihin. E>O; kung hindi (E<О) ОВР будет протекать в обратном направлении. Ang emf na kinakalkula para sa mga karaniwang kondisyon ay tinatawag na pamantayan at tinutukoy ng E.

Halimbawa 1: Tukuyin kung ang reaksyon ay maaaring magpatuloy sa pasulong na direksyon sa karaniwang kondisyon:

2Fe 3+ + 2 I D 2Fe 2+ + I 2 .

Kapag ang reaksyon ay nagpapatuloy sa pasulong na direksyon, ang Fe3 + ions ang magiging oxidizing agent, at ang iodide ions (I) ang magiging reducing agent. Kalkulahin ang karaniwang EMF:

Sagot: Ang reaksyong ito ay maaari lamang magpatuloy sa pasulong na direksyon.

Halimbawa 2. Tukuyin ang direksyon ng reaksyon sa ilalim ng mga karaniwang kondisyon:

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

Ipagpalagay na ang reaksyon ay nagpapatuloy sa pasulong na direksyon, kung gayon

Ang reaksyon ay hindi maaaring magpatuloy sa pasulong na direksyon. Daloy ito mula kanan pakaliwa, sa kasong ito.

Sagot: Ang reaksyong ito ay nagpapatuloy mula kanan pakaliwa.

Kaya, ang reaksyon ay magpapatuloy sa direksyon kung saan positibo ang EMF. Laging ang mga system na may mas mataas na potensyal na redox ay mag-o-oxidize ng mga system na may mas mababang halaga.

Mga proseso ng electrochemical

Ang mga proseso ng mutual transformation ng kemikal at elektrikal na anyo ng enerhiya ay tinatawag na electrochemical na proseso. Ang mga proseso ng electrochemical ay maaaring nahahati sa dalawang pangunahing grupo:

1) ang mga proseso ng pag-convert ng kemikal na enerhiya sa elektrikal na enerhiya (sa galvanic cells);

2) ang mga proseso ng pag-convert ng elektrikal na enerhiya sa enerhiya ng kemikal (electrolysis).

Ang isang electrochemical system ay binubuo ng dalawang electrodes at isang ionic conductor sa pagitan ng mga ito (melt, electrolyte solution o solid electrolytes - conductor ng ika-2 uri). Ang mga electrodes ay tinatawag na conductor ng unang uri, na mayroong electronic conductivity at nakikipag-ugnayan sa ionic conductor. Upang matiyak ang pagpapatakbo ng electrochemical system, ang mga electrodes ay konektado sa bawat isa sa pamamagitan ng isang metal conductor, na tinatawag na panlabas na circuit ng electrochemical system.

10.1. Galvanic cells (mga kemikal na pinagmumulan ng electric current)

Ang galvanic cell (GE) ay isang aparato kung saan ang kemikal na enerhiya ng isang redox reaction ay na-convert sa electric current energy. Sa teoryang, anumang OVR ay maaaring gamitin upang makagawa ng elektrikal na enerhiya.

Isaalang-alang ang isa sa pinakasimpleng GE - tanso-sink, o ang elementong Daniel-Jacobi (Larawan 10.1). Ang mga plato ng sink at tanso ay konektado dito gamit ang isang konduktor, habang ang bawat isa sa mga metal ay nahuhulog sa isang solusyon ng kaukulang asin: zinc sulfate at tanso (II) sulfate. Ang mga kalahating cell ay konektado sa pamamagitan ng isang electrolytic key1 kung sila ay nasa magkaibang mga sisidlan o pinaghihiwalay ng isang porous na partisyon kung sila ay nasa parehong sisidlan.

Isaalang-alang muna natin ang estado ng elementong ito na may bukas na panlabas na circuit - ang "idle" na mode. Bilang resulta ng proseso ng palitan, ang mga sumusunod na equilibria ay itinatag sa mga electrodes, na, sa ilalim ng mga karaniwang kondisyon, ay tumutugma sa mga karaniwang potensyal ng elektrod:

Zn 2+ + 2e - D Zn \u003d - 0.76V

Cu 2+ + 2e - D Cu \u003d + 0.34V.

Ang potensyal ng zinc electrode ay may mas negatibong halaga kaysa sa potensyal ng tansong elektrod, samakatuwid, kapag ang panlabas na circuit ay sarado, i.e. kapag ikinonekta ang zinc sa tanso gamit ang isang metal conductor, ang mga electron ay lilipat mula sa zinc patungo sa tanso. Bilang resulta ng paglipat ng mga electron mula sa zinc patungo sa tanso, ang balanse sa zinc electrode ay lilipat sa kaliwa, kaya ang isang karagdagang halaga ng zinc ions ay mapupunta sa solusyon (dissolution of zinc sa zinc electrode). Kasabay nito, ang equilibrium sa tansong elektrod ay lilipat sa kanan at isang paglabas ng mga tansong ion ay magaganap (tanso na pag-ulan sa tanso na elektrod). Ang mga kusang prosesong ito ay magpapatuloy hanggang sa ang mga potensyal ng mga electrodes ay mapantayan o ang lahat ng zinc ay matunaw (o ang lahat ng tanso ay idineposito sa tansong elektrod).

Kaya, sa panahon ng pagpapatakbo ng elementong Daniel-Jacobi (kapag sarado ang panloob at panlabas na mga circuit ng GE), ang mga sumusunod na proseso ay nangyayari:

1) ang paggalaw ng mga electron sa panlabas na circuit mula sa zinc electrode hanggang sa tanso, dahil< ;

2) zinc oxidation reaction: Zn - 2e - = Zn 2+.

Ang mga proseso ng oksihenasyon sa electrochemistry ay tinatawag na mga proseso ng anode, at ang mga electrodes kung saan nagaganap ang mga proseso ng oksihenasyon ay tinatawag na mga anod; samakatuwid, ang zinc electrode ay isang anode;

3) pagbabawas ng reaksyon ng mga ion ng tanso: Cu 2+ + 2e = Cu.

Ang mga proseso ng pagbabawas sa electrochemistry ay tinatawag na mga prosesong cathodic, at ang mga electrodes kung saan nagaganap ang mga proseso ng pagbabawas ay tinatawag na mga cathodes; samakatuwid, ang tansong elektrod ay ang katod;

4) ang paggalaw ng mga ions sa solusyon: anions (SO 4 2-) sa anode, cations (Cu 2+, Zn 2+) sa katod, isinasara ang electrical circuit ng galvanic cell.

Ang direksyon ng paggalaw na ito ay tinutukoy ng electric field na nagreresulta mula sa paglitaw ng mga proseso ng elektrod: ang mga anion ay natupok sa anode, at mga cation sa katod;

5) pagbubuod ng mga reaksyon ng elektrod, nakuha namin:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

o sa molecular form: Zn + CuSO 4 \u003d Cu + ZnSO 4.

Bilang resulta ng reaksyong kemikal na ito sa isang galvanic cell, ang paggalaw ng mga electron ay nangyayari sa panlabas na circuit ng mga ions sa loob ng cell, i.e. kuryente, samakatuwid, ang kabuuang reaksiyong kemikal na nagaganap sa isang galvanic cell ay tinatawag na kasalukuyang-bumubuo.

Sa isang schematic notation na pumapalit sa pagguhit ng isang galvanic cell, ang interface sa pagitan ng conductor ng 1st kind at ng conductor ng 2nd kind ay ipinahiwatig ng isang patayong linya, at ang interface sa pagitan ng conductor ng 2nd kind ay ipinahiwatig ng dalawa mga linya. Ang anode - ang pinagmulan ng mga electron na pumapasok sa panlabas na circuit - ay itinuturing na negatibo, ang katod - positibo. Ang anode ay inilalagay sa circuit sa kaliwa. Ang pamamaraan ng Daniel-Jacobi GE, halimbawa, ay isinulat bilang:

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

o sa ion-molecular form:

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

Ang dahilan para sa paglitaw at daloy ng electric current sa isang galvanic cell ay ang pagkakaiba sa redox potentials (electrode potentials 1) mga pribadong reaksyon na tumutukoy sa electromotive force E e ng galvanic cell, at sa kasong ito:

Sa pangkalahatang kaso: E e \u003d j k - j a,

kung saan ang j k ay ang potensyal ng katod, ang j a ay ang potensyal na anode.

Ang E e ay palaging mas malaki kaysa sa zero (E e > O). Kung ang reaksyon ay isinasagawa sa ilalim ng karaniwang mga kondisyon, kung gayon ang EMF na sinusunod sa kasong ito ay tinatawag na karaniwang electromotive force ng elementong ito. Para sa elementong Daniel - Jacobi, ang karaniwang EMF \u003d 0.34 - (-0.76) \u003d 1.1 (V).

Gumawa ng isang diagram, isulat ang mga equation ng mga proseso ng elektrod at kasalukuyang-generating na reaksyon para sa isang galvanic cell na nabuo ng bismuth at iron, na nahuhulog sa mga solusyon ng kanilang sariling mga asing-gamot na may konsentrasyon ng mga metal ions sa isang solusyon ng C Bi 3+ = 0.1 mol / l, C Fe 2+ = 0.01 mol/l. Kalkulahin ang EMF ng elementong ito sa 298K.

Ang konsentrasyon ng mga metal ions sa solusyon ay naiiba sa konsentrasyon ng 1 mol/l, kaya kailangan mong kalkulahin ang mga potensyal ng mga metal ayon sa Nernst equation, ihambing ang mga ito at matukoy ang anode at cathode.

j ako n + /me = j tungkol sa akin n + /me + lgSme n + ;

j Bi 3+ / Bi \u003d 0.21 + lg10 -1 \u003d 0.19V; j F e 2+ / F e \u003d -0.44 + lg10 -2 \u003d - 0.499V.

Ang bakal na elektrod ay ang anode, ang bismuth electrode ay ang katod. GE scheme:

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

o (-) Fe|Fe 2+ ||Bi 3+ |Bi (+).

Mga equation ng mga proseso ng electrode at kasalukuyang-generating na reaksyon:

A: Fe - 2 = Fe 2+ 3

K: Bi 3+ + 3 = Bi 2

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

EMF ng elementong ito E e \u003d 0.19 - (-0.499) \u003d 0.689 V.

Sa ilang mga kaso, ang metal na elektrod ay hindi sumasailalim sa mga pagbabago sa panahon ng proseso ng elektrod, ngunit nakikilahok lamang sa paglipat ng mga electron mula sa pinababang anyo ng sangkap patungo sa oxidized na anyo nito. Kaya, sa isang galvanic cell

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

Ang platinum ay gumaganap ng papel ng mga inert electrodes. Ang bakal (II) ay na-oxidized sa isang platinum anode:

Fe 2+ - e - \u003d Fe 3+, ,

at ang MnO ay nabawasan sa platinum cathode:

MnO 4 - + 8H ++ 5e - \u003d Mn 2+ + 4H 2 O,

Kasalukuyang bumubuo ng reaksyon equation:

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

Karaniwang EMF E \u003d 1.51-0.77 \u003d 0.74 V.

Ang isang galvanic cell ay maaaring binubuo hindi lamang ng iba't ibang, kundi pati na rin ng magkatulad na mga electrodes na nahuhulog sa mga solusyon ng parehong electrolyte, naiiba lamang sa konsentrasyon (konsentrasyon galvanic cells). Halimbawa:

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

C Ag< C Ag

Mga reaksyon ng electrode: A: Ag – eˉ = Ag + ;

K: Ag + + eˉ = Ag.

Kasalukuyang bumubuo ng equation ng reaksyon: Ag + Ag + = Ag + + Ag.

Baterya ng lead. Ang isang ready-to-use na lead-acid na baterya ay binubuo ng mga gridded lead plate, ang ilan sa mga ito ay puno ng lead dioxide at ang iba ay puno ng spongy lead metal. Ang mga plato ay nahuhulog sa isang 35 - 40% na solusyon ng H 2 SO 4; sa konsentrasyong ito, ang de-koryenteng kondaktibiti ng solusyon ng sulfuric acid ay pinakamataas.

Sa panahon ng pagpapatakbo ng baterya - kapag ito ay na-discharge - nangyayari ang OVR dito, kung saan ang lead (Pb) ay na-oxidized, at ang lead dioxide ay nababawasan:

(-) Рb|H 2 SO 4 | PbO 2 (+)

A: Pb + SO -2eˉ = PbSO 4

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

Pb + PbO 2 + 4H + + 2SO 4 2- \u003d 2PbSO 4 + 2H 2 O (kasalukuyang bumubuo ng reaksyon). .

Sa panloob na circuit (sa H 2 SO 4 na solusyon), kapag ang baterya ay tumatakbo, ang mga ions ay inililipat: SO 4 2- ions ay lumipat patungo sa anode, at ang H + cation ay lumipat patungo sa katod. Ang direksyon ng paggalaw na ito ay tinutukoy ng electric field na nagreresulta mula sa paglitaw ng mga proseso ng elektrod: ang mga anion ay natupok sa anode, at ang mga cation ay natupok sa katod. Bilang resulta, ang solusyon ay nananatiling neutral sa kuryente.

Upang i-charge ang baterya, nakakonekta ang mga ito sa isang panlabas na pinagmumulan ng DC (“+” hanggang “+”, “–“ hanggang “–”). Sa kasong ito, ang kasalukuyang dumadaloy sa baterya sa kabaligtaran na direksyon, kabaligtaran sa kung saan ito lumipas kapag ang baterya ay na-discharge; nagaganap ang electrolysis sa isang electrochemical system (tingnan ang p. 10.2). Bilang resulta, ang mga proseso ng electrochemical sa mga electrodes ay "reverse". Ang lead electrode ngayon ay sumasailalim sa proseso ng pagbabawas (ang elektrod ay nagiging katod):

PbSO 4 + 2eˉ \u003d Pb + SO 4 2-.

Sa PbO 2 electrode, kapag nagcha-charge, nagaganap ang proseso ng oksihenasyon (ang elektrod ay nagiging anode):

PbSO 4 + 2H 2 O - 2eˉ \u003d PbO 2 + 4H + + SO 4 2-.

Summary Equation:

2PbSO 4 + 2H 2 O \u003d Pb + PbO 2 + 4H + + 2SO 4 2-.

Madaling makita na ang prosesong ito ay kabaligtaran sa nangyayari sa panahon ng pagpapatakbo ng baterya: kapag ang baterya ay sinisingil, ang mga sangkap na kinakailangan para sa operasyon nito ay muling nakuha dito.

Electrolysis

Ang electrolysis ay isang redox reaction na nangyayari sa mga electrodes sa isang solusyon o pagkatunaw ng isang electrolyte sa ilalim ng pagkilos ng isang direktang electric current na ibinibigay mula sa isang panlabas na pinagmulan. Ang electrolysis ay nagpapalit ng elektrikal na enerhiya sa kemikal na enerhiya. Ang aparato kung saan isinasagawa ang electrolysis ay tinatawag na electrolyzer. Sa negatibong elektrod ng electrolyzer (cathode), ang proseso ng pagbawas ay nangyayari - ang oxidizer ay nakakabit ng mga electron na nagmumula sa electrical circuit, at sa positibong electrode (anode) - ang proseso ng oksihenasyon - ang paglipat ng mga electron mula sa reducing agent patungo sa electrical. sirkito.

kaya, ang pamamahagi ng mga palatandaan ng singil ng mga electrodes ay kabaligtaran sa umiiral sa panahon ng pagpapatakbo ng galvanic cell. Ang dahilan nito ay ang mga prosesong nagaganap sa panahon ng electrolysis, sa prinsipyo, ang kabaligtaran ng mga prosesong nagaganap sa panahon ng pagpapatakbo ng isang galvanic cell. Sa panahon ng electrolysis, ang mga proseso ay isinasagawa dahil sa enerhiya ng isang electric current na ibinibigay mula sa labas, habang sa panahon ng pagpapatakbo ng isang galvanic cell, ang enerhiya ng isang kusang reaksyon ng kemikal na nagaganap dito ay na-convert sa elektrikal na enerhiya. Para sa mga proseso ng electrolysis DG>0, i.e. sa ilalim ng karaniwang mga kondisyon, hindi sila kusang pumunta.

Electrolysis ng mga natutunaw. Isaalang-alang ang electrolysis ng isang melt ng sodium chloride (Fig. 10.2). Ito ang pinakasimpleng kaso ng electrolysis, kapag ang electrolyte ay binubuo ng isang uri ng cation (Na +) at isang uri ng anion (Cl) at walang ibang particle na maaaring lumahok sa electrolysis. Ang proseso ng electrolysis ng NaCl melt ay nagpapatuloy tulad ng sumusunod. Gamit ang isang panlabas na kasalukuyang pinagmulan, ang mga electron ay dinadala sa isa sa mga electrodes, na nagbibigay ng negatibong singil dito. Na + cations sa ilalim ng pagkilos electric field lumipat sa negatibong elektrod, nakikipag-ugnayan sa mga electron na dumarating sa panlabas na circuit. Ang elektrod na ito ay ang katod, at ang proseso ng pagbabawas ng mga Na + cation ay nagaganap dito. Ang mga Cl anion ay gumagalaw patungo sa positibong elektrod at, na nag-donate ng mga electron sa anode, ay na-oxidized. Ang proseso ng electrolysis ay biswal na inilalarawan ng isang diagram na nagpapakita ng dissociation ng electrolyte, ang direksyon ng paggalaw ng mga ions, ang mga proseso sa mga electrodes at ang mga inilabas na sangkap. . Ang electrolysis scheme ng sodium chloride melt ay ganito ang hitsura:

NaCl = Na + + Cl

(-) Cathode: Na + Anode (+): Cl

Na + + e - = Na 2Cl - 2eˉ = Cl 2

Summary Equation:

2Na + + 2Cl electrolysis 2Na + Cl 2

o sa molecular form

2NaCl ELECTROLYSIS 2Na + Cl 2

Ang reaksyong ito ay isang redox na reaksyon: ang proseso ng oksihenasyon ay nangyayari sa anode, at ang proseso ng pagbabawas ay nangyayari sa katod.

Sa mga proseso ng electrolysis ng mga electrolyte solution, ang mga molekula ng tubig ay maaaring lumahok at ang polariseysyon ng mga electrodes ay nagaganap.

Polarization at overvoltage. Ang mga potensyal na electrode na tinutukoy sa mga solusyon sa electrolyte sa kawalan ng electric current sa circuit ay tinatawag na equilibrium potentials (sa ilalim ng standard na kondisyon - standard electrode potentials). Sa pagpasa ng electric current, nagbabago ang mga potensyal ng mga electrodes . Ang pagbabago sa potensyal ng elektrod sa panahon ng pagpasa ng kasalukuyang ay tinatawag na polariseysyon:

Dj \u003d j i - j p,

kung saan Dj - polariseysyon;

j i ay ang potensyal ng elektrod sa panahon ng pagpasa ng kasalukuyang;

Ang j p ay ang equilibrium potential ng electrode.

Kapag ang sanhi ng pagbabago sa potensyal sa panahon ng pagpasa ng kasalukuyang ay kilala, sa halip na ang terminong "polarisasyon", gamitin ang termino "overvoltage". May kaugnayan din ito sa ilang partikular na proseso, tulad ng cathodic hydrogen evolution (hydrogen surge).

Upang eksperimento na matukoy ang polariseysyon, ang isang curve ng pag-asa ng potensyal ng elektrod sa kasalukuyang density na dumadaloy sa elektrod ay binuo. Dahil ang mga electrodes ay maaaring magkakaiba sa lugar, depende sa lugar ng elektrod sa parehong potensyal, maaaring may iba't ibang mga alon; samakatuwid, ang kasalukuyang ay karaniwang tinutukoy sa isang unit surface area. Ang ratio ng kasalukuyang I sa lugar ng elektrod S ay tinatawag na kasalukuyang density I:

Ang graphical na pag-asa ng potensyal sa kasalukuyang density ay tinatawag na polarization curve(Larawan 10.3). Sa pagpasa ng kasalukuyang, ang mga potensyal ng mga electrodes ng electrolyzer ay nagbabago, i.e. Nangyayari ang polarization ng elektrod. Dahil sa cathodic polarization (Dj k), nagiging mas negatibo ang potensyal ng cathode, at dahil sa anodic polarization (Dj a), nagiging mas positibo ang potensyal ng anode.

Ang pagkakasunud-sunod ng mga proseso ng elektrod sa electrolysis ng mga solusyon sa electrolyte. Ang mga molekula ng tubig, H + at OH ions ay maaaring lumahok sa mga proseso ng electrolysis ng mga electrolyte solution, depende sa likas na katangian ng medium. Kapag tinutukoy ang mga produkto ng electrolysis ng mga may tubig na solusyon ng mga electrolytes, sa pinakasimpleng mga kaso, ang isa ay maaaring magabayan ng mga sumusunod na pagsasaalang-alang:

1. Mga prosesong Cathodic.

1.1. Sa cathode, ang mga proseso na nailalarawan sa pinakamataas na potensyal ng elektrod, i.e. ang pinakamalakas na oxidizing agent ay nababawasan muna.

1.2. Ang mga metal cation na may karaniwang electrode potential na mas malaki kaysa sa hydrogen (Cu 2+ , Ag + , Hg 2+ , Au 3+ at iba pang low-active na metal cations - tingnan ang p.11.2) ay halos ganap na nabawasan sa cathode sa panahon ng electrolysis :

Ako n + + neˉ "Ako.

1.3. Ang mga metal na cation, na ang potensyal nito ay mas mababa kaysa sa hydrogen (yaong nasa "Serye ng mga boltahe" mula Li + hanggang Al 3+ kasama, i.e. mga kasyon ng mga aktibong metal), ay hindi naibabalik sa katod, dahil ang mga molekula ng tubig ay naibalik sa katod:

2H 2 O + 2eˉ ® H 2 + 2OH.

Ang electrochemical release ng hydrogen mula sa acidic solution ay nangyayari dahil sa paglabas ng hydrogen ions:

2Н + + 2еˉ " Н 2 .

1.4. Ang mga metal na cation na may karaniwang potensyal na elektrod ay mas mababa kaysa sa hydrogen, ngunit higit pa kaysa sa aluminyo (nakatayo sa "Row of voltages" mula Al 3+ hanggang 2H + - mga metal na cation ng medium na aktibidad), sa panahon ng electrolysis sa cathode , sila ay nababawasan nang sabay-sabay sa mga molekula ng tubig:

Ako n + + neˉ ® Ako

2H 2 O + 2eˉ ® H 2 + 2OH.

Kasama sa grupong ito ang mga ion Sn 2+ , Pb 2+ , Ni 2+ , Co 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ , atbp. ang katod. Gayunpaman, dapat mong isaalang-alang:

· ang karaniwang potensyal ng hydrogen electrode ay tumutukoy sa isang n+ [H + ] 1 mol/l., i.е. pH=0; na may pagtaas sa pH, ang potensyal ng hydrogen electrode ay bumababa, nagiging mas negatibo ( ; tingnan ang seksyon 10.3); sa parehong oras, ang mga potensyal ng mga metal sa rehiyon kung saan ang kanilang mga hindi matutunaw na hydroxides ay hindi namuo ay hindi nakasalalay sa pH;

· ang polariseysyon ng proseso ng pagbabawas ng hydrogen ay mas malaki kaysa sa polariseysyon ng discharge ng mga metal ions ng grupong ito (sa madaling salita, ang hydrogen evolution sa cathode ay nangyayari na may mas mataas na overvoltage kumpara sa overvoltage ng discharge ng maraming metal ions ng grupong ito); halimbawa: polarization curves ng cathodic release ng hydrogen at zinc (Fig. 10.4).

Tulad ng makikita mula sa figure na ito, ang potensyal ng balanse ng zinc electrode ay mas mababa kaysa sa potensyal ng hydrogen electrode; sa mababang density ng kasalukuyang, ang hydrogen lamang ang inilabas sa katod. Ngunit ang hydrogen overvoltage ng elektrod ay mas malaki kaysa sa overvoltage ng zinc electrode, samakatuwid, na may pagtaas sa kasalukuyang density, ang zinc ay nagsisimula ring ilabas sa elektrod. Sa potensyal na φ 1, ang kasalukuyang densidad ng ebolusyon ng hydrogen at zinc ay pareho, at sa potensyal na φ 2, i.e. Ang zinc ay inilabas pangunahin sa elektrod.

2. Mga proseso ng anode.

2.1. Sa anode, ang mga proseso na nailalarawan sa pinakamababang potensyal ng elektrod ay nangyayari muna, i.e. Ang mga malakas na ahente ng pagbabawas ay unang na-oxidized.

2.2. Karaniwan ang mga anod ay nahahati sa inert (hindi matutunaw) at aktibo (natutunaw). Ang una ay ginawa mula sa karbon, grapayt, titanium, platinum na mga metal, na may makabuluhang positibong potensyal na elektrod o natatakpan ng isang matatag na protective film, na nagsisilbi lamang bilang mga conductor ng mga electron. Ang pangalawa ay mula sa mga metal na ang mga ions ay naroroon sa electrolyte solution - mula sa tanso, sink, pilak, nikel, atbp.

2.3. Sa isang inert anode sa panahon ng electrolysis ng mga may tubig na solusyon ng alkalis, mga acid na naglalaman ng oxygen at kanilang mga asing-gamot, pati na rin ang HF at mga asing-gamot nito (fluoride), ang electrochemical oxidation ng mga hydroxide ions ay nangyayari sa pagpapalabas ng oxygen. Depende sa pH ng solusyon, ang prosesong ito ay nagpapatuloy iba at maaaring isulat sa iba't ibang mga equation:

a) sa acidic at neutral na kapaligiran

2 H 2 O - 4eˉ \u003d O 2 + 4 H +;

b) sa isang alkalina na kapaligiran

4OH - 4eˉ \u003d O 2 + 2H 2 O.

Ang potensyal na oksihenasyon ng mga hydroxide ions (potensyal ng electrode ng oxygen) ay kinakalkula gamit ang equation (tingnan ang seksyon 10.3):

Mga anion na naglalaman ng oxygen SO, SO, NO, CO, PO, atbp. o hindi makapag-oxidize, o ang kanilang oksihenasyon ay nangyayari sa napakataas na potensyal, halimbawa: 2SO - 2eˉ \u003d S 2 O \u003d 2.01 V.

2.4. Sa panahon ng electrolysis ng mga may tubig na solusyon ng mga anoxic acid at ang kanilang mga asing-gamot (maliban sa HF at mga asing-gamot nito), ang kanilang mga anion ay pinalalabas sa isang inert anode.

Tandaan na ang paglabas ng chlorine (Cl 2) sa panahon ng electrolysis ng isang solusyon ng HCl at mga asing-gamot nito, ang paglabas ng bromine (Br 2) sa panahon ng electrolysis ng isang solusyon ng HBr at ang mga asing-gamot nito ay sumasalungat sa magkaparehong posisyon ng mga system.

2Cl - 2eˉ \u003d Cl 2 \u003d 1.356 V

2Br - 2eˉ \u003d Br 2 \u003d 1.087 V

2H 2 O - 4eˉ \u003d O 2 + 4 H + \u003d 0.82 V (pH \u003d 7)

Ang anomalyang ito ay nauugnay sa anodic polarization ng mga proseso (Larawan 10.5). Tulad ng makikita, ang potensyal ng balanse ng electrode ng oxygen (potensyal ng oksihenasyon ng mga hydroxide ions mula sa tubig) ay mas mababa kaysa sa potensyal ng equilibrium ng chloride electrode (potensyal ng oksihenasyon ng mga chloride ions). Samakatuwid, sa mababang kasalukuyang densidad, tanging ang oxygen ay inilabas. Gayunpaman, ang ebolusyon ng oxygen ay nagpapatuloy sa isang mas mataas na polariseysyon kaysa sa ebolusyon ng chlorine, samakatuwid, sa isang potensyal, ang mga alon para sa ebolusyon ng chlorine at oxygen ay inihambing, at sa isang potensyal (mataas na kasalukuyang density), ang chlorine ay pangunahing inilabas.

2.5. Kung ang potensyal ng metal anode ay mas mababa kaysa sa potensyal ng mga OH ions o iba pang mga sangkap na nasa solusyon o sa elektrod, pagkatapos ang electrolysis ay nagpapatuloy sa isang aktibong anode. Ang aktibong anode ay na-oxidized, natutunaw: Me - neˉ ® Me n + .

kasalukuyang output . Kung ang mga potensyal ng dalawa o higit pang mga reaksyon ng elektrod ay pantay, ang mga reaksyong ito ay nagpapatuloy sa elektrod nang sabay-sabay. Sa kasong ito, ang kuryente na dumaan sa elektrod ay natupok sa lahat ng mga reaksyong ito. Ang maliit na bahagi ng halaga ng kuryente na ginugol sa pagbabago ng isa sa mga sangkap (B j) ay tinatawag kasalukuyang output ng sangkap na ito:

(Bj) % = (Qj /Q) . 100,

kung saan ang Q j ay ang halaga ng kuryente na ginugol sa pagbabago ng j-th substance; Ang Q ay ang kabuuang dami ng kuryenteng dumaan sa elektrod.

Halimbawa, mula sa fig. 10.4 sumusunod na ang kasalukuyang kahusayan ng zinc ay tumataas sa pagtaas ng cathodic polarization. Para sa halimbawang ito, ang isang mataas na hydrogen overvoltage ay isang positibong kababalaghan. Bilang resulta, ang manganese, zinc, chromium, iron, cobalt, nickel, at iba pang mga metal ay maaaring ihiwalay mula sa mga may tubig na solusyon sa katod.

Batas ni Faraday. Ang teoretikal na relasyon sa pagitan ng dami ng kuryenteng naipasa at ang dami ng sangkap na na-oxidize o nabawasan sa electrode ay tinutukoy ng batas ng Faraday, ayon sa kung saan ang masa ng electrolyte na sumailalim sa isang pagbabagong kemikal, pati na rin ang masa ng mga sangkap na inilabas sa mga electrodes, ay direktang proporsyonal sa dami ng kuryente na dumaan sa electrolyte at ang mga molar na masa ng mga katumbas ng mga sangkap: m \u003d M e It / F,

kung saan ang m ay ang masa ng electrolyte na sumasailalim sa pagbabagong-anyo ng kemikal,

o ang masa ng mga sangkap - mga produkto ng electrolysis, na inilabas sa mga electrodes, g; Ang M e ay ang molar mass ng katumbas ng isang substance, g / mol; I - kasalukuyang lakas, A; t ay ang tagal ng electrolysis, s; F - Numero ng Faraday - 96480 C / mol.

Halimbawa 1 Paano nagpapatuloy ang electrolysis ng isang may tubig na solusyon ng sodium sulfate sa isang carbon (inert) anode?

Na 2 SO 4 \u003d 2Na + + SO

H 2 O D H + + OH

Summary Equation:

6H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 + 4OH + 4H +

o sa molecular form

6H 2 O + 2Na 2 SO 4 \u003d 2H 2 + O 2 + 4NaOH + 2H 2 SO 4.

Na + ions at OH - ions maipon sa puwang ng katod; nabuo ang isang alkali, at malapit sa anode ang kapaligiran ay nagiging acidic dahil sa pagbuo ng sulfuric acid. Kung ang mga puwang ng cathode at anode ay hindi pinaghihiwalay ng isang partisyon, kung gayon ang mga H + at OH ions ay bumubuo ng tubig, at ang equation ay tumatagal ng anyo

Ang batayan para sa pagtukoy ng direksyon ng kusang paglitaw ng mga reaksyon ng redox ay ang sumusunod na panuntunan:

Ang mga reaksyon ng redox ay kusang nagpapatuloy palagi patungo sa pagbabago ng isang malakas na ahente ng oxidizing sa isang mahinang conjugated na ahente ng pagbabawas o isang malakas na ahente ng pagbabawas sa isang mahinang conjugated na ahente ng oxidizing.

Ang panuntunang ito ay katulad ng panuntunang tumutukoy sa direksyon ng mga pagbabagong acid-base.

Ang isang quantitative measure ng redox na kakayahan ng isang ibinigay na conjugated redox pares ay ang halaga nito potensyal na pagbawi f, na nakasalalay sa:

Ang likas na katangian ng oxidized at pinababang anyo ng isang ibinigay na pares ng conjugate;

Ang mga ratio ng konsentrasyon ng oxidized at nabawasang anyo ng isang naibigay na conjugated na pares;

Mga temperatura.

Sa mga kaso kung saan ang mga H + o OH- ions ay kasangkot sa proseso ng pag-convert ng isang oxidizing agent o reducing agent, (depende rin ang p sa pH ng solusyon. Ang halaga na kinukuha ng f sa ilalim ng karaniwang mga kondisyon: ang konsentrasyon ng lahat ng mga sangkap na kasangkot sa ang reaksyon, kabilang ang mga water ions H + (sa isang acidic na kapaligiran) at OH- (sa isang alkaline na kapaligiran), katumbas ng 1 mol / l, temperatura 298 K, - ay tinatawag karaniwang potensyal na pagbawi at tinutukoy ng (f°. Ang halaga ng f° ay isang quantitative na katangian ng mga katangian ng redox ng isang binigay na conjugated redox na pares sa ilalim ng mga karaniwang kundisyon.

Walang paraan upang matukoy ang ganap na halaga ng mga potensyal para sa conjugated redox pares. Samakatuwid, gumagamit sila ng mga kamag-anak na halaga (Sec. 25.2), na nagpapakilala sa mga potensyal ng conjugated na pares na may kaugnayan sa reference na pares, ang potensyal nito, sa ilalim ng mga karaniwang kundisyon, ay ipinapalagay na kondisyon na katumbas ng zero

Ang positibong halaga ng f° ay mga redox na pares kung saan ang oxidized form ay nagdaragdag ng mga electron nang mas madali kaysa sa hydrogen cation sa reference na pares. Ang negatibong halaga f° ay may mga pares ng redox, kung saan ang oxidized na anyo ay nakakabit ng mga electron na mas mahirap kaysa sa H + sa reference na pares. Dahil dito, mas malaki (i.e., mas positibo) ang halaga ng f ° ng isang naibigay na conjugated redox na pares, mas malinaw ang mga katangian ng oxidizing nito, at ang mga katangian ng pagbabawas, ayon sa pagkakabanggit, ay mas mahina.

Sa mesa. Ang 9.1 ay nagpapakita ng mga karaniwang halaga ng mga potensyal ng ilang conjugated redox pares.

Sa ilalim ng mga kundisyon maliban sa pamantayan, ang halaga ng φ ay kinakalkula ayon sa Nernst equation (mga seksyon 25.2, 25.3).

Ang kakanyahan ng mga reaksyon ng redox ay ang kumpetisyon para sa pagdaragdag ng isang elektron sa pagitan ng mga kalahok na ahente ng oxidizing. Sa kasong ito, ang electron ay nakakabit sa conjugated na pares na iyon, ang oxidized na anyo na kung saan ay mas malakas ang hawak nito. Ito ay makikita sa sumusunod na diagram: *

Ang paghahambing ng mga potensyal ng conjugated pairs na kasangkot sa redox reaction, posibleng matukoy nang maaga ang direksyon kung saan ito o ang reaksyong iyon ay kusang magpapatuloy.

Kapag ang dalawang conjugated redox na pares ay nag-interact, ang oxidizing agent ay palaging ang oxidized na anyo ng pares na ang potensyal ay may mas positibong halaga.

Halimbawa. Ang pinaghalong reaksyon ay naglalaman ng dalawang conjugated redox na pares:

Dahil ang unang pares ay naglalaman ng isang mas malakas na oxidizing agent (I2) kaysa sa pangalawang pares (S), kung gayon sa ilalim ng karaniwang mga kondisyon ay isang reaksyon ang kusang magpapatuloy kung saan ang I2 ay ang oxidizing agent, at ang reducing agent.

Upang matukoy ang direksyon ng redox reaction, maaari mo ring gamitin ang halaga ng EMF nito.

Ang EMF ng redox na reaksyon sa ilalim ng mga karaniwang kondisyon (E°) ay ayon sa bilang na katumbas ng pagkakaiba sa mga karaniwang potensyal ng conjugated redox na pares na kasangkot sa reaksyon:

Ang kondisyon para sa kusang paglitaw ng isang redox na reaksyon ay ang positibong halaga ng EMF nito, i.e.

Dahil sa kundisyong ito, para sa isang kusang nagaganap na redox na reaksyon, ang halaga f ng redox na pares na kumikilos bilang isang oxidizing agent ay dapat na mas malaki kaysa sa f ng pangalawang redox na pares na gumaganap bilang isang redox na ahente sa reaksyong ito. Kaya, sa halimbawa sa itaas:
Kung E°= 0, kung gayon ang reaksyon ng redox ay pantay na malamang na mangyari kapwa sa pasulong at pabalik na direksyon, at ito ang kundisyon para sa paglitaw ng kemikal na ekwilibriyo para sa proseso ng redox. Ang isang quantitative na katangian ng kurso ng anumang nababaligtad na mga proseso ay ang equilibrium constant SA, na nauugnay sa pagbabago sa karaniwang enerhiya ng Gibbs (Sec. 5.5) tulad ng sumusunod:

Sa kabilang banda, ang pagbabago sa karaniwang enerhiya ng Gibbs ay nauugnay sa EMF ng redox na reaksyon sa pamamagitan ng kaugnayan:

saan F= 96 500 C/mol; z- ang bilang ng mga electron na kasangkot sa elementarya na proseso.

Mula sa dalawang equation na ito ay sumusunod:

Gamit ang mga expression na ito, posibleng kalkulahin ang equilibrium constant ng anumang redox na reaksyon, ngunit magkakaroon lamang ito ng tunay na halaga para sa mga reaksyon na ang EMF ay mas mababa sa 0.35 V, dahil sa mataas na EMF ang mga reaksyon ay itinuturing na halos hindi maibabalik. Dahil ang EMF ng mga indibidwal na yugto ng mga reaksyon ng redox na nagaganap sa mga buhay na sistema ay karaniwang hindi lalampas sa 0.35 V (| E°| < 0,35 В), то большинство из них практически об­ратимы, причем обратимость процесса выражена тем сильнее, чем величина | E°| mas malapit sa zero.

Ang mga reaksyon ng redox ay sumasailalim sa metabolismo ng anumang mga organismo. Kailan aerobic metabolismo ang pangunahing oxidizing agent ay molekular na oxygen na ibinibigay sa panahon ng paghinga, at ang reducing agent ay mga organic compound na ibinibigay sa pagkain. Sa anaerobic metabolism ito ay pangunahing batay sa redox reactions, kung saan ang mga organic compound ay parehong oxidizing at reducing agent.

Ang potensyal ng redox ay isang espesyal, makitid na kaso ng konsepto ng potensyal ng elektrod. Tingnan natin ang mga konseptong ito nang mas malapitan.

SA OVR paglipat ng elektron mga ahente ng pagbabawas mga ahente ng oxidizing nangyayari kapag ang mga particle ay nasa direktang kontak, at ang enerhiya ng isang kemikal na reaksyon ay na-convert sa init. Anumang enerhiya OVR ang dumadaloy sa solusyon ay maaaring ma-convert sa elektrikal na enerhiya. Halimbawa, kung ang mga proseso ng redox ay pinaghihiwalay nang spatially, i.e. ang paglipat ng mga electron sa pamamagitan ng reducing agent ay magaganap sa pamamagitan ng isang konduktor ng kuryente. Ito ay ipinatupad sa galvanic cells, kung saan Enerhiya ng kuryente nakuha mula sa kemikal na enerhiya.

Isaalang-alang, kung saan ang kaliwang sisidlan ay puno ng isang solusyon ng zinc sulfate ZnSO 4, na may isang sink plate na ibinaba dito, at ang kanang sisidlan ay puno ng isang solusyon ng tansong sulpate CuSO 4, na may isang tansong plato na ibinaba dito.

Pakikipag-ugnayan sa pagitan ng solusyon at ng plato, na gumaganap bilang isang elektrod, ay nagiging sanhi ng elektrod upang makakuha ng singil sa kuryente. Ang potensyal na pagkakaiba na nangyayari sa interface ng metal-electrolyte solution ay tinatawag potensyal ng elektrod. Ang halaga at tanda nito (+ o -) ay tinutukoy ng likas na katangian ng solusyon at ang metal sa loob nito. Kapag ang mga metal ay nahuhulog sa mga solusyon ng kanilang mga asin, ang mas aktibo sa kanila (Zn, Fe, atbp.) ay negatibong sinisingil, at ang mga hindi gaanong aktibo (Cu, Ag, Au, atbp.) ay positibong sinisingil.

Ang resulta ng koneksyon ng sink at tansong plato na may konduktor ng kuryente ay ang paglitaw ng isang electric current sa circuit dahil sa daloy mula sa sink patungo sa tansong plato sa pamamagitan ng konduktor.

Sa kasong ito, mayroong pagbawas sa bilang ng mga electron sa zinc, na binabayaran ng paglipat ng Zn 2+ sa solusyon, i.e. ang zinc electrode ay natutunaw anode (proseso ng oksihenasyon).

Zn - 2e - = Zn 2+

Kaugnay nito, ang pagtaas sa bilang ng mga electron sa tanso ay binabayaran ng paglabas ng mga ion ng tanso na nakapaloob sa solusyon, na humahantong sa akumulasyon ng tanso sa tansong elektrod - cathode (proseso ng pagbawi):

Cu 2+ + 2e - = Cu

Kaya, ang sumusunod na reaksyon ay nangyayari sa elemento:

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu

Zn + CuSO 4 \u003d ZnSO 4 + Cu

I-quantify redox pinapayagan ng mga proseso ang mga potensyal ng elektrod na sinusukat na may kaugnayan sa isang normal na electrode ng hydrogen (ang potensyal nito ay ipinapalagay na zero).

Upang matukoy karaniwang mga potensyal ng elektrod gumamit ng isang elemento, ang isa sa mga electrodes kung saan ay ang nasubok na metal (o non-metal), at ang isa ay ang hydrogen electrode. Batay sa potensyal na pagkakaiba na matatagpuan sa mga pole ng elemento, ang normal na potensyal ng metal na pinag-aaralan ay tinutukoy.

Potensyal ng redox

Ang mga halaga ng potensyal na redox ay ginagamit kung kinakailangan upang matukoy ang direksyon ng reaksyon sa may tubig o iba pang mga solusyon.

Isagawa natin ang reaksyon

2Fe 3+ + 2I - = 2Fe 2+ + I 2

kaya na iodide ions at iron ions Ipinagpalit ang kanilang mga electron sa pamamagitan ng isang konduktor. Sa mga sisidlan na naglalaman ng mga solusyon ng Fe 3+ at I - , inilalagay namin hindi gumagalaw (platinum o carbon) mga electrodes at isara ang panloob at panlabas na circuit. Ang isang electric current ay nabuo sa circuit. Ang mga ion ng iodide ay ibinibigay ang kanilang mga electron, na dadaloy sa konduktor patungo sa isang hindi gumagalaw na elektrod na nakalubog sa isang solusyon ng asin na Fe 3+:

2I - - 2e - = I 2

2Fe 3+ + 2e - = 2Fe 2+

Ang mga proseso ng pagbabawas ng oksihenasyon ay nangyayari sa ibabaw ng mga inert electrodes. Ang potensyal na nangyayari sa hangganan ng isang inert electrode - isang solusyon at naglalaman ng parehong oxidized at isang pinababang anyo ng isang substance ay tinatawag na equilibrium potensyal na redox. Ang halaga ng potensyal na redox ay nakasalalay sa marami mga kadahilanan, kabilang ang tulad ng:

• Ang kalikasan ng bagay(oxidizing agent at reducing agent)
• Konsentrasyon ng oxidized at nabawasang mga form. Sa isang temperatura ng 25 ° C at isang presyon ng 1 atm. ang halaga ng potensyal na redox ay kinakalkula gamit Nernst equation:

E=E° + (RT/nF) ln (sige/ C araw), saan

Ang E ay ang potensyal na redox ng pares na ito;

E°- karaniwang potensyal (sinusukat sa C okay =C araw);

R ay ang gas constant (R = 8.314 J);

Ang T ay ganap na temperatura, K

n ay ang bilang ng ibinigay o natanggap na mga electron sa proseso ng redox;

Ang F ay pare-pareho ng Faraday (F = 96484.56 C/mol);

C ok - konsentrasyon (aktibidad) ng oxidized form;

Ang Cvos ay ang konsentrasyon (aktibidad) ng pinababang anyo.

Ang pagpapalit ng kilalang data sa equation at pagpasa sa decimal logarithm, makuha namin ang sumusunod na anyo ng equation:

E=E° + (0,059/ n) lg (sige/C araw)

Sa Okay lang >C araw, E>E° at kabaliktaran kung C okay< C araw, Iyon E< E°

• Ang kaasiman ng solusyon. Para sa mga mag-asawa na ang oxidized form ay naglalaman ng oxygen (halimbawa, Cr 2 O 7 2- , CrO 4 2- , MnO 4 —), habang bumababa ang pH ng solusyon, tumataas ang potensyal ng redox, i.e. lumalaki ang potensyal sa pagtaas ng H + . Sa kabaligtaran, bumababa ang potensyal ng redox sa pagbaba ng H + .
• Temperatura. Habang tumataas ang temperatura, tumataas din ang potensyal na redox ng pares na ito.

Ang mga karaniwang potensyal na redox ay ipinakita sa mga talahanayan ng mga espesyal na sangguniang libro. Dapat tandaan na ang mga reaksyon lamang sa may tubig na solusyon sa temperatura na ≈ 25°C. Ang ganitong mga talahanayan ay nagpapahintulot sa amin na gumuhit ng ilang mga konklusyon:

• Ang halaga at tanda ng karaniwang mga potensyal na redox, nagbibigay-daan sa iyong hulaan kung anong mga katangian (nag-oxidizing o nagpapababa) ng mga atom, ion o molekula ang ipapakita sa mga reaksiyong kemikal, halimbawa

E°(F 2 / 2F -) \u003d +2.87 V - ang pinakamalakas na ahente ng oxidizing

E°(K + /K) \u003d - 2.924 V - ang pinakamalakas na ahente ng pagbabawas

Ang pares na ito ay magkakaroon ng mas malaking kakayahan sa pagbabawas, mas malaki ang numerical na halaga ng negatibong potensyal nito, at mas mataas ang kakayahang mag-oxidizing, mas malaki ang positibong potensyal.

• Posible upang matukoy kung alin sa mga compound ng isang elemento ang magkakaroon ng pinakamalakas na pag-oxidizing o pagbabawas ng mga katangian.
• Posibleng hulaan ang direksyon ng OVR. Ito ay kilala na ang operasyon ng isang galvanic cell ay nagaganap sa kondisyon na ang potensyal na pagkakaiba ay may positibong halaga. Ang daloy ng OVR sa napiling direksyon ay posible rin kung ang potensyal na pagkakaiba ay may positibong halaga. Ang OVR ay nagpapatuloy patungo sa mas mahinang mga ahente ng oxidizing at nagpapababa ng mga ahente mula sa mga mas malakas, halimbawa, ang reaksyon

Sn 2+ + 2Fe 3+ = Sn 4+ + 2Fe 2+

Praktikal na dumadaloy sa pasulong na direksyon, dahil

E°(Sn 4+ / Sn 2+) = +0.15 V, at E°(Fe 3+ /Fe 2+) = +0.77 V, ibig sabihin. E°(Sn4+ /Sn2+)< E°(Fe 3+ /Fe 2+).

Cu + Fe 2+ = Cu 2+ + Fe

ay imposible sa pasulong na direksyon at dumadaloy lamang mula kanan papuntang kaliwa, dahil

E°(Cu 2+ /Cu) = +0.34 V, at E°(Fe 2+ / Fe) \u003d - 0.44 V, i.e. E°(Fe 2+ /Fe)< E°(Cu 2+ /Cu).

Sa proseso ng redox, ang halaga ng mga paunang sangkap ay bumababa, bilang isang resulta kung saan ang E ng oxidizing agent ay bumababa, at ang E ng reducing agent ay tumataas. Sa dulo ng reaksyon, i.e. sa simula ng chemical equilibrium, ang mga potensyal ng parehong mga proseso ay equalized.

• Kung, sa ilalim ng mga kundisyong ito, maraming OVR ang posible, pagkatapos ay sa unang lugar ang reaksyon ay magpapatuloy, kung saan ang pagkakaiba sa mga potensyal na redox ay ang pinakamalaking.
• Gamit ang data ng sanggunian, matutukoy mo ang EMF ng reaksyon.

Kaya, paano matukoy ang EMF ng reaksyon?

Isaalang-alang ang ilang mga reaksyon at tukuyin ang kanilang EMF:

1. Mg + Fe 2+ \u003d Mg 2+ + Fe
2. Mg + 2H + = Mg 2+ + H 2
3. Mg + Cu 2+ \u003d Mg 2+ + Cu

E°(Mg 2+ / Mg) \u003d - 2.36 V

E°(2H + /H 2) = 0.00 V

E°(Cu 2+ / Cu) = +0.34 V

E°(Fe 2+ / Fe) \u003d - 0.44 V

Upang matukoy ang EMF ng isang reaksyon, hanapin ang pagkakaiba sa pagitan ng potensyal ng ahente ng oxidizing at ng potensyal ng ahente ng pagbabawas

EMF \u003d E 0 ok - E 0 ibalik

1. EMF \u003d - 0.44 - (- 2.36) \u003d 1.92 V
2. EMF = 0.00 - (- 2.36) = 2.36 V
3. EMF \u003d + 0.34 - (- 2.36) \u003d 2.70 V

Ang lahat ng mga reaksyon sa itaas ay maaaring magpatuloy sa pasulong na direksyon, dahil kanilang EMF > 0.

Ekwilibriyong pare-pareho.

Kung kinakailangan upang matukoy ang antas ng reaksyon, maaari mong gamitin pare-pareho ang balanse.

Halimbawa, para sa reaksyon

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu

Nag-aaplay batas ng aksyong masa, maaaring isulat

K = C Zn 2+ / C Cu 2+

Dito pare-parehong ekwilibriyo K nagpapakita ng equilibrium ratio ng mga konsentrasyon ng zinc at copper ions.

Ang halaga ng equilibrium constant ay maaaring kalkulahin sa pamamagitan ng paglalapat Nernst equation

E=E° + (0,059/ n) lg (sige/C araw)

Ipalit natin ang mga halaga ng mga karaniwang potensyal ng mga pares ng Zn/Zn 2+ at Cu/Cu 2+ sa equation, nakita natin

E0 Zn/ Zn2+ = -0.76 + (0.59/2)lgC Zn / Zn2 at E0 Cu/Cu2+ = +0.34 + (0.59/2)lgC Cu / Cu2+

Sa isang estado ng ekwilibriyo E0 Zn/Zn2+ = E0 Cu/Cu2+, ibig sabihin.

0.76 + (0.59/2)lgC Zn 2 = +0.34 + (0.59/2)lgC Cu 2+ , kung saan namin nakuha

(0.59 / 2) (logC Zn 2 - logC Cu 2+) \u003d 0.34 - (-0.76)

logK = log (C Zn2+ /C Cu2+) = 2(0.34 - (-0.76)) / 0.059 = 37.7

Ang halaga ng equilibrium constant ay nagpapakita na ang reaksyon ay napupunta halos sa dulo, i.e. hanggang sa ang konsentrasyon ng mga ion ng tanso ay maging 10 37.7 beses na mas mababa kaysa sa konsentrasyon ng mga ion ng zinc.

Ekwilibriyong pare-pareho At potensyal na redox ay nauugnay sa pangkalahatang pormula:

lgK \u003d (E 1 0 -E 2 0) n / 0.059, Saan

K ay ang equilibrium constant

Ang E 1 0 at E 2 0 ay ang mga karaniwang potensyal ng oxidizing agent at reducing agent, ayon sa pagkakabanggit

n ay ang bilang ng mga electron na naibigay ng reducing agent o natanggap ng oxidizing agent.

Kung E 1 0 > E 2 0 , pagkatapos ay lgK > 0 at K > 1. Dahil dito, ang reaksyon ay nagpapatuloy sa pasulong na direksyon (mula kaliwa hanggang kanan) at kung ang pagkakaiba (E 1 0 - E 2 0) ay sapat na malaki, pagkatapos ito ay halos sa dulo.

Sa kabaligtaran, kung E 1 0< E 2 0 , то K будет очень мала . Ang reaksyon ay nagpapatuloy sa kabaligtaran na direksyon, dahil ang balanse ay malakas na inilipat sa kaliwa. Kung ang pagkakaiba (E 1 0 - E 2 0) ay hindi gaanong mahalaga, kung gayon ang K ≈ 1 at ang reaksyong ito ay hindi mapupunta sa dulo, maliban kung ang mga kondisyon na kinakailangan para dito ay nilikha.

Alam ang halaga ng equilibrium constant, nang hindi gumagamit ng pang-eksperimentong data, maaaring hatulan ng isa ang lalim ng kurso ng isang kemikal na reaksyon. Dapat tandaan na ang mga ibinigay na halaga ng mga karaniwang potensyal ay hindi nagpapahintulot sa isa na matukoy ang rate kung saan naitatag ang balanse ng reaksyon.

Ayon sa mga talahanayan ng mga potensyal na redox, posible na mahanap ang mga halaga ng mga equilibrium constants para sa humigit-kumulang 85,000 mga reaksyon.

Paano gumuhit ng isang diagram ng isang galvanic cell?

1. elemento emf ay isang positibong halaga, dahil Ang trabaho ay ginagawa sa galvanic cell.
2. EMF halaga ng isang galvanic circuit ay ang kabuuan ng mga potensyal na pagtalon sa mga interface ng lahat ng mga phase, ngunit, dahil ang oksihenasyon ay nangyayari sa anode, ang halaga ng potensyal ng anode ay ibabawas mula sa halaga ng potensyal na katod.

Kaya, kapag gumuhit ng isang circuit ng isang galvanic cell umalis itala ang elektrod kung saan ang proseso ng oksihenasyon (anode), A sa kanan- ang elektrod kung saan proseso ng pagbawi (cathode).

1. interface tinutukoy ng isang linya - |
2. tulay ng electrolyte sa hangganan ng dalawang konduktor ay ipinahiwatig ng dalawang linya - ||
3. Mga solusyon kung saan nakalubog ang electrolyte bridge ay nakasulat sa kaliwa at sa kanan nito (kung kinakailangan, ang konsentrasyon ng mga solusyon ay ipinahiwatig din dito). Ang mga bahagi ng isang yugto, sa kasong ito, ay isinulat na pinaghihiwalay ng mga kuwit.

Halimbawa, gawin natin galvanic cell diagram, kung saan nagaganap ang sumusunod na reaksyon:

Fe 0 + Cd 2+ = Fe 2+ + Cd 0

Sa isang galvanic cell, ang anode ay isang iron electrode, at ang cathode ay isang cadmium electrode.

Anode Fe 0 |Fe 2+ || Cd 2+ |Cd 0 Cathode

Makakakita ka ng mga karaniwang problema sa mga solusyon.

Mga kategorya,