Elektrochemia zadania
1. W zlewce zawierającej roztwór siarczanu (VI) cynku o stężeniu 0,2 mol/dm
3
zanurzono blaszkę cynkową.
Podobnie w zlewce zawierającej roztwór siarczanu(VI) miedzi(II) o stężeniu 0,1 mol/dm
3
zanurzono blaszkę
miedzianą. Tak skonstruowane półogniwa połączono kluczem elektrolitycznym i zamknięto w obwód
elektryczny. Π
0
Zn/Zn2+
= -0,763 V; Π
0
Cu/Cu2+
= 0,521 V. (T = 298 K)
a) Zapisz schemat tego ogniwa
b) Zapisz reakcje zachodzące w półogniwach i reakcje sumaryczną
c) Oblicz siłę elektromotoryczną tego ogniwa.
d) Oblicz zmianę entalpii swobodnej w tym ogniwie, jeżeli przez obwód przepłynęło 0,3 mola elektronów.
2. Oblicz potencjał elektrody (T = 298 K)
a) srebrowej zanurzonej w 0,15 molowym roztworze AgNO
3
. (Π
0
Ag/Ag+
= 0,799 V)
b) cynkowej zanurzonej w 10
-2
molowym roztworze Zn(NO
3
)
2
. (Π
0
Zn/Zn2+
= -0.763 V)
c) niklowej zanurzonej w 10
-3
molowym roztworze soli niklu(II). (Π
0
Ni/Ni2+
= -0.250 V)
3. Zbudowano ogniwo złożone z elektrody srebrowej (Π
0
Ag/Ag+
= 0,799 V) i elektrody cynkowej (Π
0
Zn/Zn2+
= -
0,763 V). Wiedząc, że stężenie jonów srebra wynosiło 5·10
-6
mol/dm
3
, a jonów cynku 10
-2
mol/dm
3
(T = 298
K) :
a) Zapisz schemat tego ogniwa
b) Zapisz reakcje zachodzące w półogniwach i reakcje sumaryczną
c) Oblicz siłę elektromotoryczną tego ogniwa.
d) Oblicz zmianę entalpii swobodnej w tym ogniwie, jeżeli przez obwód przepłynęło 0,1 mola elektronów.
4. Zbudowano ogniwo w ten sposób, że: w roztworze o stężeniu 0,6 mol/dm
3
względem jonów Sn
4+
i 0,1
mol/dm
3
względem jonów Sn
2+
zanurzono elektrodę platynową. Podobnie w drugim roztworze o stężeniu 0,4
mol/dm
3
względem jonów Fe
3+
i 0,04mol/dm
3
względem jonów Fe
2+
zanurzono elektrodę platynową.
Roztwory połączono kluczem elektrolitycznym i zamknięto obwód elektryczny. Π
0
Sn4+/Sn2+
= 0,150 V;
Π
0
Fe3+/Fe2+
= 0,771V, T = 298 K
a) Zapisz schemat tego ogniwa
b) Zapisz reakcje zachodzące w półogniwach i reakcje sumaryczną
c) Oblicz siłę elektromotoryczną tego ogniwa.
d) Oblicz zmianę entalpii swobodnej w tym ogniwie, jeżeli przez obwód przepłynęło 0,25 mola elektronów.
5. Zbudowano ogniwo w ten sposób, że: W kwaśnym roztworze manganianu (VII), w którym jony MnO
4
-
są w
równowadze z jonami Mn
2+
zanurzono elektrodę platynową. Stężenie jonów MnO
4
-
wynosiło 0,08 mol/dm
3
, a
jonów Mn
2+
0,04 mol/dm
3
. Podobnie w drugim półogniwie w roztworze zawierającym jony Fe
3+
(0,6
mol/dm
3
) i Fe
2+
(0,04 mol/dm
3
) zanurzono elektrodę platynową. Roztwory połączono kluczem
elektrolitycznym i zamknięto obwód elektryczny. Π
0
MnO4-/Mn2+
= 1,51 V; Π
0
Fe3+/Fe2+
= 0,771V, T = 298 K
a) Zapisz schemat tego ogniwa
b) Zapisz reakcje zachodzące w półogniwach i reakcje sumaryczną
c) Oblicz siłę elektromotoryczną tego ogniwa.
d) Oblicz zmianę entalpii swobodnej w tym ogniwie, jeżeli przez obwód przepłynęło 0,5 mola elektronów.
6. Czy zajdą następujące reakcje:
a) Co +ZnSO
4
(
V
V
Zn
Zn
Co
Co
763
,
0
,
277
,
0
0
2
/
0
2
/
−
=
Π
−
=
Π
+
+
)
b) CoSO
4
+ Zn (
V
V
Zn
Zn
Co
Co
763
,
0
,
277
,
0
0
2
/
0
2
/
−
=
Π
−
=
Π
+
+
)
c) Ag + HCl (
V
V
H
H
Ag
Ag
000
,
0
,
799
,
0
0
2
/
2
0
/
=
Π
=
Π
+
+
)
d) Fe + CuSO
4
(
V
V
Cu
Cu
Fe
Fe
345
,
0
,
440
,
0
0
2
/
0
2
/
=
Π
−
=
Π
+
+
)
Rozwiązania
Zad. 1.
Π
0
Zn/Zn2+
= -0,763 V
Π
0
Cu/Cu2+
= 0,345 V
C
ZnSO4
= 0,2 mol/dm
3
⇒
[Zn
2+
] = 0,2 mol/dm
3
C
CuSO4
= 0,1 mol/dm
3
⇒
[Cu
2+
] = 0,1 mol/dm
3
T = 298 K
a)
Ponieważ potencjał standardowy elektrody cynkowej (
Π
0
Zn/Zn2+
) jest niższy niż potencjał standardowy
elektrody miedziowej (
Π
0
Cu/Cu2+
); elektroda cynkowa będzie anodą, a miedziowa katodą.
Schemat:
Zn
Zn
2+
Cu
2+
Cu
b)
Na anodzie zachodzi proces utleniania, a na katodzie redukcji
A (-) Zn - 2e
→
Zn
2+
K (+) Cu
2+
+ 2e
→
Cu
Zn +Cu
2+
→
Zn
2+
+ Cu
c)
I sposób obliczania siły elektromotorycznej -E (SEM):
Zależność pomiędzy stężeniem jonów w roztworze, a potencjałem elektrody określa równanie Nernsta:
]
.
[
]
.
[
ln
0
utl
f
zred
f
nF
RT
−
Π
=
Π
gdzie:
R - stała gazowa = 8,314 J/mol
⋅
K
T – temperatura
F – stała Faradaya = 96 500 C/mol
n – liczba wymienianych elektronów
[f. zred] –stężenie formy zredukowanej
[f. utl] –stężenie formy utlenionej
Wiedząc, że: lnx = 2,303logx
Równanie Nernsta przyjmuje postać:
]
.
[
]
.
[
log
303
,
2
0
utl
f
zred
f
nF
RT
−
Π
=
Π
W warunkach standardowych (T = 298 K):
]
.
[
]
.
[
log
96500
298
314
,
8
303
,
2
0
utl
f
zred
f
n
⋅
⋅
⋅
−
Π
=
Π
]
.
[
]
.
[
log
059
,
0
0
utl
f
zred
f
n
−
Π
=
Π
Zatem:
(A)
]
[
]
[
log
2
059
,
0
2
0
2
/
+
+
−
Π
=
Π
Zn
Zn
Zn
Zn
V
784
,
0
2
,
0
1
log
2
059
,
0
763
,
0
−
=
−
−
=
Π
(K)
]
[
]
[
log
2
059
,
0
2
0
2
/
+
+
−
Π
=
Π
Cu
Cu
Cu
Cu
V
316
,
0
1
,
0
1
log
2
059
,
0
345
,
0
=
−
=
Π
Siła elektromotoryczna E (SEM) - różnica potencjałów w niepracującym ogniwie.
A
K
E
Π
−
Π
=
E = 0,316 – (- 0,784) = 1,1 V
II sposób obliczania siły elektromotorycznej -E (SEM):
Potencjał termodynamiczny wyraża się wzorem:
K
RT
G
G
ln
0
+
∆
=
∆
W warunkach izotermiczno-izobarycznych entalpia swobodna (
∆
G) jest równa pracy elementarnej, która w
przypadku ogniwa jest pracą elektryczną (W
el
= -nFE)
nFE
W
G
el
−
=
=
∆
gdzie:
F – stała Faradaya = 96 500 C/mol
n – liczba wymienianych elektronów
E – siła elektromotoryczna ogniwa
0
0
nFE
G
−
=
∆
Po podstawieniu:
K
RT
nFE
nFE
ln
0
+
−
=
−
/(-nF)
K
nF
RT
E
E
ln
0
−
=
Wiedząc, że: lnx = 2,303logx
Równanie przyjmuje postać:
K
nF
RT
E
E
log
303
,
2
0
−
=
W warunkach standardowych (T = 298 K):
K
n
E
E
log
96500
298
314
,
8
303
,
2
0
⋅
⋅
⋅
−
=
K
n
E
E
log
059
,
0
0
−
=
gdzie:
E
0
– jest różnicą potencjałów standardowych elektrod (
0
0
0
A
K
E
Π
−
Π
=
)
K- jest stałą równowagi dla sumarycznej reakcji zachodzącej w ogniwie
W analizowanym ogniwie zachodzi następująca reakcja sumaryczna:
Zn +Cu
2+
→
Zn
2+
+ Cu
Zatem:
]
[
]
[
]
][
[
]
][
[
2
2
2
2
+
+
+
+
=
=
Cu
Zn
Cu
Zn
Cu
Zn
K
]
[
]
[
log
2
059
.
0
2
2
0
2
/
0
2
/
+
+
+
+
−
Π
−
Π
=
Cu
Zn
E
Zn
Zn
Cu
Cu
V
E
1
,
1
1
,
0
2
,
0
log
2
059
.
0
)
763
,
0
(
345
,
0
=
−
−
−
=
d)
nFE
G
−
=
∆
∆
G = -0,3
⋅
96500
⋅
1,1 = -31845 J = -31,845 kJ
jednostka
J
C
J
mol
C
mol
V
mol
C
mol
=
⋅
⋅
=
⋅
⋅
Zad. 2.
]
.
[
]
.
[
log
059
,
0
0
utl
f
zred
f
n
−
Π
=
Π
a)
V
Ag
Ag
Ag
Ag
750
,
0
15
,
0
1
log
059
,
0
799
,
0
]
[
]
[
log
1
059
,
0
0
/
=
−
=
−
Π
=
Π
+
+
b)
V
Zn
Zn
Zn
Zn
822
,
0
01
,
0
1
log
0295
,
0
763
,
0
]
[
]
[
log
2
059
,
0
2
0
2
/
−
=
−
−
=
−
Π
=
Π
+
+
c)
V
Ni
Ni
Ni
Ni
3385
,
0
001
,
0
1
log
0295
,
0
250
,
0
]
[
]
[
log
2
059
,
0
2
0
2
/
−
=
−
−
=
−
Π
=
Π
+
+
Zad. 3.
Π
0
Zn/Zn2+
= -0,763 V
Π
0
Ag/Ag+
= 0,799 V
[Zn
2+
] = 10
-2
mol/dm
3
[Ag
+
] = 5
⋅
10
-6
mol/dm
3
T = 298 K
a)
Zn
Zn
2+
Ag
+
Ag
b)
A (-) Zn - 2e
→
Zn
2+
K (+) 2Ag
+
+ 2e
→
2Ag
Zn +2Ag
+
→
Zn
2+
+ 2Ag
c)
I sposób:
(A)
V
Zn
Zn
Zn
Zn
822
,
0
01
,
0
1
log
0295
,
0
763
,
0
]
[
]
[
log
2
059
,
0
2
0
2
/
−
=
−
−
=
−
Π
=
Π
+
+
(K)
V
Ag
Ag
Ag
Ag
486
,
0
)
10
5
(
1
log
0295
,
0
799
,
0
]
[
]
[
log
2
059
,
0
2
6
2
2
0
/
=
⋅
−
=
−
Π
=
Π
−
+
+
E =
Π
K
-
Π
A
= 0,486-(-0,822) = 1,308 V
II sposób:
K
n
E
E
log
059
,
0
0
−
=
2
2
0
2
/
0
/
2
2
2
0
2
/
0
/
]
[
]
[
log
2
059
,
0
]
][
[
]
][
[
log
2
059
,
0
+
+
+
+
+
+
+
+
−
Π
−
Π
=
−
Π
−
Π
=
Ag
Zn
Ag
Zn
Ag
Zn
E
Zn
Zn
Ag
Ag
Zn
Zn
Ag
Ag
V
E
308
,
1
)
10
5
(
10
log
0295
,
0
)
763
,
0
(
799
,
0
2
6
2
=
⋅
−
−
−
=
−
−
d)
nFE
G
−
=
∆
∆
G = -0,1
⋅
96500
⋅
1,308 = -12622,2 J = -12,622 kJ
Zad. 4.
[Sn
4+
] = 0,6 mol/dm
3
[Sn
2+
] = 0,1 mol/dm
3
[Fe
3+
] = 0,4 mol/dm
3
[Fe
2+
] = 0,04 mol/dm
3
V
Sn
Sn
150
,
0
0
2
/
4
=
Π
+
V
Fe
Fe
771
,
0
0
2
/
3
=
Π
+
+
T=298 K
a)
Pt
Sn
2+
, Sn
4+
Fe
3+
, Fe
2+
Pt
b)
A(-) Sn
2+
- 2e- ↔ Sn
4+
K(+) 2Fe
3+
+ 2e
-
↔ 2Fe
2+
Sn
2+
+ 2Fe
3+
↔ Sn
4+
+ 2Fe
2+
c) I sposób:
]
.
[
]
.
[
log
059
,
0
0
utl
f
zred
f
n
−
Π
=
Π
(A)
V
Sn
Sn
Sn
Sn
173
,
0
6
,
0
1
,
0
log
0295
,
0
150
,
0
]
[
]
[
log
2
059
,
0
4
2
0
2
/
4
=
−
=
−
Π
=
Π
+
+
+
+
(K)
V
Fe
Fe
Fe
Fe
830
,
0
)
4
,
0
(
)
04
,
0
(
log
0295
,
0
771
,
0
]
[
]
[
log
2
059
,
0
2
2
2
3
2
2
0
2
/
3
=
−
=
−
Π
=
Π
+
+
+
+
E =
Π
K
-
Π
A
= 0,830-0,173 = 0,657 V
II sposób:
K
n
E
E
log
059
,
0
0
−
=
2
3
2
2
2
4
0
2
/
4
0
2
/
3
]
][
[
]
][
[
log
2
059
,
0
+
+
+
+
+
+
+
+
−
Π
−
Π
=
Fe
Sn
Fe
Sn
E
Sn
Sn
Fe
Fe
V
E
657
,
0
)
4
,
0
(
1
,
0
)
04
,
0
(
6
,
0
log
0295
,
0
150
,
0
771
,
0
2
2
=
⋅
⋅
−
−
=
d)
nFE
G
−
=
∆
∆
G = -0,25
⋅
96500
⋅
0,657 = -15850,1 J = -15,850 kJ
∆
G = -0,5
⋅
96500
⋅
0,674 = -32520,5 J = -32,520 kJ
Zad. 6.
a)
Co +ZnSO
4
V
V
Zn
Zn
Co
Co
763
,
0
,
277
,
0
0
2
/
0
2
/
−
=
Π
−
=
Π
+
+
V
V
Zn
Zn
Co
Co
763
,
0
277
,
0
0
2
/
0
2
/
−
=
Π
>
−
=
Π
+
+
redukcja
utlenianie
Zn -2e ↔ Zn
2+
Co
2+
+ 2e ↔ Co
Zn + Co
2+
↔ Zn
2+
+ Co
Czyli reakcja Co +ZnSO
4
nie zajdzie
b) CoSO
4
+ Zn (
V
V
Zn
Zn
Co
Co
763
,
0
,
277
,
0
0
2
/
0
2
/
−
=
Π
−
=
Π
+
+
) - tak
c) Ag + HCl (
V
V
H
H
Ag
Ag
000
,
0
,
799
,
0
0
2
/
2
0
/
=
Π
=
Π
+
+
) – nie zajdzie
d) Fe + CuSO
4
(
V
V
Cu
Cu
Fe
Fe
345
,
0
,
440
,
0
0
2
/
0
2
/
=
Π
−
=
Π
+
+
) - tak
