Химические процессы протекающие на электродах при зарядке и разрядке аккумулятора. Концентрация ионов на электродах

Решение задач по химии на составление схемы аккумулятора

Задание 256. 

Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин цинка и железа, погруженных в растворы их солей. Напишите электронные уравнения процессов, протекающих на аноде и на катоде. Какой концентрации надо было бы взять ионы железа (+2) (моль/л), чтобы ЭДС элемента стала равной нулю, если [Zn²⁺] = 0,00 1 моль/л? Ответ: 7,3 моль/л.
Решение:
Цинк имеет меньший потенциал (-0,763 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Zn⁰ — 2  = Zn²⁺  (1)

Железо, потенциал которого (-0,440 В) — катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Fe^{2+ +} 2  = Fe⁰   (2)

Схема гальванического элемента имеет вид:

Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

Е⁰ – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе его соли (при точных вычислениях – активность). Определим электродные потенциалы кадмия и меди при заданных концентрациях:

ЭДС гальванического элемента равна нулю, если электродные потенциалы электродов равны, следовательно, электродный потенциал железа численно равен электродному потенциалу цинка, т.е. равен -0,8515 В. Рассчитаем концентрацию ионов железа Fe²⁺, если электродный потенциал железного электрода равен -0,8515 В, получим:

Ответ: сFe²⁺ = 1,124 ^. 10^-14 моль/л.

Задание 257.
Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению:
Ni + Pb(NO₃)₂ = Ni(NO₃)₂ + Рb
Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов. Вычислите ЭДС этого элемента, если [Pb²⁺] = 0,0001 моль/л, [Ni] = 0,01 моль/л. Ответ: 0,064 В. 
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

Ni + Pb(NO₃)₂ = Ni(NO₃)₂ + Рb

Из уравнения реакции вытекает, что никель является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Ni⁰ — 2   = Ni²⁺  (1)

Свинец – катод, электрод на котором протекает восстановительный процесс:

Pb²⁺ + 2   = Pb⁰  (2)

Схема гальванического элемента будет имеет вид:

Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

Е⁰ – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе его соли (при точных вычислениях – активность). Определим электродные потенциалы кадмия и меди при заданных концентрациях:

Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода, получим:

Ответ: 0,064 В.

Задание 258.
Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке свинцового аккумулятора?
Решение:
В свинцовом аккумуляторе в качестве электролита используется раствор H₂SO₄ (p  = 1,24-130 г/см³). Электроды этого аккумулятора представляют свинцовые решётки. Решётки сначала заполняются оксидом свинца (IV) PbO₂, который при взаимодействии с H₂SO₄ превращается в PbSO₄. Сначала аккумулятор нужно зарядить. Суммарная реакция зарядки в аккумуляторе имеет вид:

2PbSO₄ + 2H₂O  ⇔ Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ (молекулярная форма);
2PbSO₄ + 2H₂O ⇔ Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄^2- (ионно-молекулярная форма)

Электрохимические процессы при зарядке:

Анод: PbSO₄ + 2H₂O  — 2   =  PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2-
Катод: PbSO₄ + 2   =  Pb²⁺ + SO₄^2-

При разрядке свинцового аккумулятора протекает следующая химическая реакция:

Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄  ⇔ 2PbSO₄ + 2H₂O (молекулярная форма);
Pb + PbO₂ + 4Н₊ + SO₄^2- ⇔ 2PbSO₄ + 2H₂O ионно-молекулярная форма)

Электрохимические процессы при разрядке аккумулятора:

Анод: Pb²⁺ + SO₄^2-   — 2   ⇔ PbSO₄;
Катод: PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2   ⇔ PbSO₄ + 2H₂O

При разрядке аккумулятора:

К(+): PbO₂ + 4H⁺ + 2  → Pb²⁺ + 2H₂O;
А(-): Pb⁰ → Pb²⁺ + 2 

Суммарная реакция:

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O

При зарядке аккумулятора:

К(+): Pb²⁺ + 2  → Pb⁰
А(-): Pb2+ + 2H2O → PbO₂+4H⁺+ 2 

Суммарная реакция: 

2PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄

Задание 259.
Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке кадмий-никелевого аккумулятора?
Решение:
При зарядке аккумулятора:

А(+): Ni(OH)₂ + OH^— → NiOOH + H₂O + 1 
К(-): Cd(OH)₂ + 2  → Cd + 2OH^—

Суммарная реакция:

2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ → 2NiOOH + Cd + 2H₂O

При разрядке аккумулятора:

К(+): NiOOH + H₂O + 1 — → Ni(OH)₂ + OH^—
А(-): Cd + 2OH^— → Cd(OH)₂ + 2 —

Суммарная реакция: 

2NiOOH + Cd + 2H₂O → 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂

Задание 260.
Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке железо-никелевого аккумулятора?
Решение:
При зарядке аккумулятора:

А: Ni²⁺ → Ni³⁺ + 1  
К: Fe²⁺ + 2   → Fe⁰

Суммарная реакция: 

2Ni(OH)₂ + Fe(OH)₂ → NiOOH + Fe + 2H₂O

При разрядке аккумулятора:

А: Fe⁰ → Fe²⁺ + 2  
К: Ni³⁺ + 1   → Ni²⁺

Суммарная реакция: 

NiOOH + Fe + 2H₂O → 2Ni(OH)₂ + Fe(OH)₂