DWMED

W ogniwie Volty blaszki – cynkowa oraz miedziana zanurzone są w rozcieńczonym roztworze kwasu siarkowego(VI). W celu zamknięcia obwodu elektrycznego, wystające ponad powierzchnię roztworu końce tych blaszek połączone są wówczas przewodnikiem.

Napisz równania reakcji elektrodowych jakie przebiegają w pracującym ogniwie Volty.

Zbudowano ogniwo chemiczne z następujących półogniw redoks:

Fe³⁺ + ē ⇄ Fe²⁺                                                        E^o = +0,771 V

MnO₄^– + 8H⁺ + 5ē ⇄ Mn²⁺ + 4H₂O                  E^o = +1,503 V

Na podstawie: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2013.

Napisz sumaryczne równanie reakcji chemicznej przebiegającej podczas pracy tego ogniwa oraz oblicz jego SEM w stanie standardowym.

Zbudowano ogniwo chemiczne z następujących półogniw redoks:

Fe³⁺ + ē ⇄ Fe²⁺                                                        E^o = +0,771 V

MnO₄^– + 8H⁺ + 5ē ⇄ Mn²⁺ + 4H₂O                  E^o = +1,503 V

Na podstawie: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2013.

Spośród jonów potencjałotwórczych znajdujących się w opisanym ogniwie chemicznym wybierz i napisz wzór sumaryczny tego, który jest najsilniejszym utleniaczem. Określ barwę roztworu związku chemicznego zawierającego wybrany przez Ciebie jon, jeśli w układzie nie będzie obecna żadna inna drobina nadająca zabarwienie.

Wartość potencjału redoks półogniwa Pt|Fe²⁺, Fe³⁺ zależy od stężenia molowego każdego z jonów (Fe²⁺ oraz Fe³⁺) i w temperaturze 25 ^oC wyraża się zależnością zwaną równaniem Nernsta w postaci:

W wyrażeniu tym E^o to standardowy potencjał redoks półogniwa o wartości 0,771 V, natomiast [Fe³⁺] oraz [Fe²⁺] są stężeniami molowymi jonów potencjałotwórczych.

W temperaturze 25 ^oC zbudowano ogniwo chemiczne z dwóch półogniw Pt|Fe²⁺, Fe³⁺. W pierwszym z nich stężenie jonów Fe³⁺ było takie samo jak stężenie jonów Fe²⁺ w drugim półogniwie i wynosiło 0,5 mol·dm^–3. Stężenia pozostałych jonów potencjałotwórczych w tych półogniwach odpowiadały stężeniu jonów chlorkowych w roztworze HCl o pH = 2.

Oblicz SEM opisanego ogniwa chemicznego w temperaturze 25 ^oC.

W stanie równowagi (gdy ogniwo chemiczne uległo wyczerpaniu) standardową siłę elektromotoryczną ogniwa w temperaturze 298 K opisuje wyrażenie:

Wielkość K to stała równowagi reakcji redoks przebiegającej podczas pracy ogniwa,  natomiast n to liczba moli elektronów wymienionych między utleniaczem i reduktorem.

Na podstawie: K.-H. Lautenschläger i inni, Nowoczesne kompendium chemii, Warszawa 2018.

Oblicz stałą równowagi reakcji w temperaturze 298 K, przebiegającej w pracującym ogniwie zbudowanym z półogniw – cynkowego oraz kadmowego.

Dla reakcji przebiegającej w ogniwie:

wyrażenie opisujące siłę elektromotoryczną w temperaturze 298 K przyjmuje postać:

W wyrażeniu tym E^ө to standardowa (obliczona dla stanu standardowego) siła elektromotoryczna ogniwa, natomiast to stężenia molowe kationów metali. Miarą skłonności reakcji do zachodzenia jest wyrażona w dżulach (J) entalpia swobodna, którą w przypadku ogniw chemicznych opisuje wyrażenie:

ΔG = –n·F·E

W podanym wzorze F jest stałą Faradaya, natomiast w obu wymienionych wzorach n to liczba moli elektronów wymienionych między utleniaczem i reduktorem. Gdy wartość zmiany entalpii swobodnej jest ujemna, proces przebiega samorzutnie, a jeśli ΔG = 0, układ znajduje się w stanie równowagi chemicznej, co w praktyce oznacza, że ogniwo zostało wyczerpane. Dodatnia wartość zmiany entalpii swobodnej informuje, że reakcja może przebiegać już tylko w sposób wymuszony.

P. W. Atkins, L. Jones, Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, Warszawa 2018.

W pewnej chwili, w ogniwie kadmowo-niklowym stwierdzono, że stężenie jonów Cd²⁺ wynosi 0,025 mol·dm^–3, natomiast jonów Ni²⁺ 0,011 mol·dm^–3.

Ustal na podstawie niezbędnych obliczeń, czy od podanego momentu, w temperaturze 298 K z ogniwa tego można w dalszym ciągu czerpać energię elektryczną.

Dla reakcji przebiegającej w ogniwie:

wyrażenie opisujące siłę elektromotoryczną w temperaturze 298 K przyjmuje postać:

W wyrażeniu tym E^ө to standardowa (obliczona dla stanu standardowego) siła elektromotoryczna ogniwa, natomiast to stężenia molowe kationów metali. Miarą skłonności reakcji do zachodzenia jest wyrażona w dżulach (J) entalpia swobodna, którą w przypadku ogniw chemicznych opisuje wyrażenie:

ΔG = –n·F·E

W podanym wzorze F jest stałą Faradaya, natomiast w obu wymienionych wzorach n to liczba moli elektronów wymienionych między utleniaczem i reduktorem. Gdy wartość zmiany entalpii swobodnej jest ujemna, proces przebiega samorzutnie, a jeśli ΔG = 0, układ znajduje się w stanie równowagi chemicznej, co w praktyce oznacza, że ogniwo zostało wyczerpane. Dodatnia wartość zmiany entalpii swobodnej informuje, że reakcja może przebiegać już tylko w sposób wymuszony.

P. W. Atkins, L. Jones, Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, Warszawa 2018.

Ustal na podstawie niezbędnych obliczeń, przy jakiej wartości stężenia molowego jonów Co²⁺ ogniwo kobaltowo-niklowe przestanie pracować w temperaturze 298 K, jeśli stężenie jonów Ni²⁺ wyniesie wówczas 0,15 mol·dm^–3. Wynik podaj z dokładnością do pierwszego miejsca po przecinku.

Zdolności utleniające drobin są tym silniejsze, im wyższa jest wartość potencjału redoks (E) półogniwa, którego są one składową. Na przykład wartość standardowego potencjału redoks półogniwa Cl₂  + 2e ⇄  2Cl^– jest wyższa, niż półogniwa Br₂   +  2e  ⇄ 2Br^–. W konsekwencji cząsteczki chloru mogą utlenić jony bromkowe do wolnego bromu, a reakcja taka może być zapisana równaniem: Cl₂ + 2Br^– → 2Cl^– + Br₂.

Zdolności utleniające jonów manganianowych(VII) zależą od wartości pH roztworu w jakim się znajdują. Gdy stężenia molowe jonów MnO₄^– i Mn²⁺ w półogniwie redoks:

MnO₄^– + 5e + 8H⁺ ⇄ Mn²⁺ + 4H₂O

będą identyczne, wówczas wartość potencjału redoks wyrażonego w woltach dla takiego układu w temperaturze 25 ⁰C można obliczyć ze wzoru Nernsta w postaci:

E = 1,51 + 0,094 · log[H⁺]

Określ, który z roztworów zawierających równomolową mieszaninę jonów MnO₄^– i Mn²⁺ będzie układem o silniejszych właściwościach utleniających – o wartości pH równej 1 czy 2? Odpowiedź uzasadnij obliczeniami.

Zdolności utleniające drobin są tym silniejsze, im wyższa jest wartość potencjału redoks (E) półogniwa, którego są one składową. Na przykład wartość standardowego potencjału redoks półogniwa Cl₂  + 2e ⇄  2Cl^– jest wyższa, niż półogniwa Br₂  +  2e  ⇄ 2Br^–. W konsekwencji cząsteczki chloru mogą utlenić jony bromkowe do wolnego bromu, a reakcja taka może być zapisana równaniem: Cl₂ + 2Br^– → 2Cl^– + Br₂.

W probówce umieszczono roztwór perhydrolu z dodatkiem kilku kropli rozcieńczonego kwasu siarkowego(VI). Następnie dodano stechiometryczną względem nadtlenku wodoru ilość roztworu kwasu bromowodorowego.

Wiedząc, że w opisanych warunkach wartości potencjałów półogniw redoks: H₂O₂ + 2H⁺ + 2e ⇄ 2H₂O oraz Br₂  +  2e  ⇄ 2Br^– wynoszą odpowiednio 1,76 V i 1,08 V, napisz w formie jonowej skróconej równanie przebiegającej reakcji chemicznej. Wskaż, która drobina pełni w niej rolę utleniacza, a która reduktora.

Zdolności utleniające drobin są tym silniejsze, im wyższa jest wartość potencjału redoks (E) półogniwa, którego są one składową. Na przykład wartość standardowego potencjału redoks półogniwa Cl₂ + 2e ⇄  2Cl^– jest wyższa, niż półogniwa Br₂  +  2e  ⇄ 2Br^–. W konsekwencji cząsteczki chloru mogą utlenić jony bromkowe do wolnego bromu, a reakcja taka może być zapisana równaniem: Cl₂ + 2Br^– → 2Cl^– + Br₂.

W ogniwie zbudowanym z półogniw metalicznych Zn/Zn²⁺ oraz Fe/Fe²⁺ oba roztwory miały taką samą objętość równą 500 cm³, a stężenia molowe jonów metali wynosiły po 0,01 mol·dm^–3. Podczas pracy tego ogniwa masa płytki cynkowej zmieniła się o 130 mg.

Oblicz, jakie było stężenie (mmol·dm^–3) jonów żelaza(II) po zakończeniu eksperymentu? Wynik podaj z dokładnością do cyfry jedności.

Akumulator kwasowo-ołowiowy jest popularnym magazynem energii elektrycznej stosowanym w pojazdach spalinowych. Pojemność takiej baterii (zgromadzony w niej ładunek elektryczny) wyraża się w amperogodzinach (Ah). Na przykład, w temperaturze 25 ^oC akumulator o pojemności 50 Ah jest w stanie zasilać urządzenie elektryczne przez 50 godzin prądem o natężeniu 1 A. W tym czasie ulega on rozładowywaniu, co obrazują zachodzące na jego elektrodach reakcje chemiczne:

Na podstawie: www.intercars.pl

Mierząc woltomierzem wartość potencjału elektrycznego danego ogniwa chemicznego powodujemy przepływ prądu elektrycznego, dlatego woltomierz wskazuje mniejsze napięcie niż wynosi SEM takiego ogniwa. Pod pojęciem słowa „bateria” kryją się połączone ze sobą ogniwa chemiczne. W pewnym fabrycznie nowym akumulatorze kwasowo-ołowiowym, wartość SEM pojedynczego ogniwa chemicznego wynosi 2,12 V.

Oblicz, z ilu takich ogniw zbudowany jest akumulator, jeśli zmierzony potencjał elektryczny tej baterii ma wartość 12,4 V.

Akumulator kwasowo-ołowiowy jest popularnym magazynem energii elektrycznej stosowanym w pojazdach spalinowych. Pojemność takiej baterii (zgromadzony w niej ładunek elektryczny) wyraża się w amperogodzinach (Ah). Na przykład, w temperaturze 25 ^oC akumulator o pojemności 50 Ah jest w stanie zasilać urządzenie elektryczne przez 50 godzin prądem o natężeniu 1 A. W tym czasie ulega on rozładowywaniu, co obrazują zachodzące na jego elektrodach reakcje chemiczne:

Na podstawie: www.intercars.pl

Pewien akumulator o pojemności 35 Ah został całkowicie rozładowany.

Oblicz, jak zmieniła się wówczas masa jego katody oraz anody.

Akumulator kwasowo-ołowiowy jest popularnym magazynem energii elektrycznej stosowanym w pojazdach spalinowych. Pojemność takiej baterii (zgromadzony w niej ładunek elektryczny) wyraża się w amperogodzinach (Ah). Na przykład, w temperaturze 25 ^oC akumulator o pojemności 50 Ah jest w stanie zasilać urządzenie elektryczne przez 50 godzin prądem o natężeniu 1 A. W tym czasie ulega on rozładowywaniu, co obrazują zachodzące na jego elektrodach reakcje chemiczne:

Na podstawie: www.intercars.pl

Elektrolitem w akumulatorze kwasowo-ołowiowym jest roztwór kwasu siarkowego(VI), którego stężenie w pełni naładowanej baterii wynosi 37% masowych. Wykresy poniżej przedstawiają charakterystyki zmian stężenia procentowego tego kwasu oraz stopnia naładowania akumulatora w zależności od gęstości roztworu elektrolitu. Jeśli gęstość roztworu spadnie poniżej wartości 1,1 g∙cm^–3, wówczas akumulator uznaje się za całkowicie rozładowany.

Na podstawie: M. Matuszewski, Obsługa i konserwacja akumulatorów. Młody technik, Warszawa 1979 oraz W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2013.

Akumulator kwasowo-ołowiowy o pojemności 50 Ah posłużył jako źródło prądu stałego do przeprowadzenia elektrolizy roztworu kwasu solnego z wykorzystaniem elektrod platynowych. Zebrany bezbarwny, bezwonny produkt gazowy zajął objętość równą 5,04 dm³ (warunki normalne).

Oblicz, jakie było stężenie molowe roztworu elektrolitu znajdującego się w akumulatorze po zakończeniu jego pracy. Wynik podaj z dokładnością do drugiego miejsca po przecinku.

Akumulator kwasowo-ołowiowy jest popularnym magazynem energii elektrycznej stosowanym w pojazdach spalinowych. Pojemność takiej baterii (zgromadzony w niej ładunek elektryczny) wyraża się w amperogodzinach (Ah). Na przykład, w temperaturze 25 ^oC akumulator o pojemności 50 Ah jest w stanie zasilać urządzenie elektryczne przez 50 godzin prądem o natężeniu 1 A. W tym czasie ulega on rozładowywaniu, co obrazują zachodzące na jego elektrodach reakcje chemiczne:

Na podstawie: www.intercars.pl

Częściowo rozładowany akumulator można naładować. W trakcie tego procesu zmieniona zostaje polaryzacja elektrod, co w konsekwencji prowadzi do przebiegu reakcji odwrotnych.

Napisz w formie jonowej sumaryczne równanie procesu biegnącego podczas ładowania akumulatora kwasowo-ołowiowego.

Przykładem elektrody halogenosrebrowej jest elektroda chlorosrebrowa:

AgCl_(s) + ē ⇄ Ag_(s) + Cl^–_(aq)

Elektrodę taką stanowi srebrny drucik pokryty trudno rozpuszczalnym w wodzie chlorkiem srebra, zanurzony w roztworze zawierającym jony chlorkowe. Potencjał redoks tej elektrody zależy od stężenia jonów chlorkowych, co w temperaturze 298 K ilustruje zależność:

E_Ag/AgCl = E^o_Ag/AgCl – 0,059∙log[Cl^–]

W temperaturze 298 K potencjał standardowy (E^o_Ag/AgCl) tej elektrody wynosi 0,222 V.

Na podstawie: W. Szczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, Warszawa 2012.

W 0,04-molowym roztworze chlorku sodu zanurzono drucik srebrny pokryty chlorkiem srebra.

Oblicz potencjał zbudowanej w ten sposób elektrody w temperaturze 298 K.