2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему
 
 Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение17.05.2020, 22:17 


28/08/13
485
Читал вот эту тему topic110113.html про гальванические элементы, и не могу понять, как одно связано с другим. Вот элемент из водородного и металлического электродов https://present5.com/presentation/-1265 ... age-16.jpg , измеряем разность потенциалов вольтметром, тут всё ясно. Но как из этого потом вытекает школьное правило про химические реакции с участием металлов и солей? К примеру, из опыта выше узнаём, что ст. эл. потенциал цинка меньше, чем меди, значит цинк заместит медь в реакции типа $Zn+CuCl_2=Cu+ZnCl_2$, но почему? Опыт с двумя электродами говорит нам лишь что, будучи в растворе своей соли, цинк склонен сильнее отдавать со своей поверхности свои катионы в раствор а медь - слабее, чем водород в аналогичной ситуации - протоны. Как отсюда понять, что если сунуть цинковую пластинку в хлорид меди, то она растворится, а медная в хлориде цинка - нет?

 Профиль  
                  
 
 Re: Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение18.05.2020, 03:50 


01/03/13
1119
Все физические системы стремятся к минимизации своей энергии. Химические вещества (по сути молекулы) те же самые физические системы, и они также стремятся минимизировать свою энергию. Химические реакции всегда идут в сторону уменьшения энергии новых молекул (в сторону образования более прочных молекул).
Хлорид цинка более прочное соединение, чем хлорид меди. Или другими словами и более точно: суммарная энергия хлорида цинка и металлической меди меньше, чем энергия металлического цинка и хлорида меди. Разница между хлоридом цинка и хлоридом меди только в их катионах. Это значит, что атом цинка легко превращается в катион и с трудом превращается обратно из катиона в нейтральный атом. А атом меди более трудно (по сравнению с цинком) превращается в катион и относительно легко обратно. Отсюда же следует, что цинковый электрод в растворе будет более электроотрицателен, чем медный.

 Профиль  
                  
 
 Re: Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение18.05.2020, 13:19 


28/08/13
485
Благодарю. Но точно ли дело именно в том, что
Цитата:
суммарная энергия хлорида цинка и металлической меди меньше, чем энергия металлического цинка и хлорида меди.
?
Я б тогда сравнивал энергию катиона цинка и атома меди с энергией катиона меди и атома цинка.
Ведь по сути хлорид-анионы не участвуют в реакции(или всё-таки участвуют?), тогда получается, что окисление цинка происходит напрямую, обменом электронами при встрече атома цинка с катионом меди?
Или же в раствор уходят катионы цинка, а катионы меди восстанавливаются при контакте с заряженной после этого цинковой пластиной через передачу скопившихся на ней "лишних" электронов?

 Профиль  
                  
 
 Re: Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение18.05.2020, 15:33 
Заслуженный участник


06/07/11
5576
кран.набрать.грамота
Ascold в сообщении #1463490 писал(а):
Опыт с двумя электродами говорит нам лишь что, будучи в растворе своей соли, цинк склонен сильнее отдавать со своей поверхности свои катионы в раствор а медь - слабее, чем водород в аналогичной ситуации - протоны. Как отсюда понять, что если сунуть цинковую пластинку в хлорид меди, то она растворится, а медная в хлориде цинка - нет?
"Школьное правило" вытекает отсюда напрямую: раз цинк более склонен отдавать электроны, то, если мы возьмем $Zn$ и $Cu^{2+}$, цинк "принудительно сунет" меди два электрона (ну или медь "отберет"), и у нас получится $Zn^{2+}$ и $Cu$.

(Оффтоп)

Я не люблю объяснения с помощью слов "отдаст", "отнимет" и т. п., потому что это несколько антропоморфные объяснения, а в отличие от людей, атомы не могут отказаться от своей "роли" или отдать электрон вникуда - обязательно кто-то должен его взять.

Если копнуть чуть глубже, то направление химической реакции зависит от термодинамических свойств реагентов (энтальпия, энергия Гиббса и т. д.). А потенциалы катионов напрямую связаны с этими величинами. Подробности можно посмотреть в учебнике физической химии, раздел "электрохимия" (например, тут, глава "Электрохимические цепи", стр. 231). Соответственно, вместо подробного объяснения с кучей формул с логарифмами для школьников сделали упрощенную версию с потенциалами.

Ascold в сообщении #1463607 писал(а):
Ведь по сути хлорид-анионы не участвуют в реакции(или всё-таки участвуют?)
По сути - да, они не участвуют. Единственная их функция - держать у себя лишние электроны, отобранные у меди/цинка.

 Профиль  
                  
 
 Re: Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение18.05.2020, 16:36 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


27/04/09
27140
Ascold в сообщении #1463607 писал(а):
тогда получается, что окисление цинка происходит напрямую, обменом электронами при встрече атома цинка с катионом меди?
Вообще кстати вряд ли напрямую, так как ионы в воде гидратированы. Но это наверно уже вопросы более частные, тем более я и сам в электрохимии не разбираюсь.

 Профиль  
                  
 
 Re: Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение18.05.2020, 17:25 
Аватара пользователя


07/03/16
02/06/20
1362
Ascold в сообщении #1463490 писал(а):
Опыт с двумя электродами говорит нам лишь что, будучи в растворе своей соли, цинк склонен сильнее отдавать со своей поверхности свои катионы в раствор а медь - слабее, чем водород в аналогичной ситуации - протоны. Как отсюда понять, что если сунуть цинковую пластинку в хлорид меди, то она растворится, а медная в хлориде цинка - нет?

По стандартным потенциалам и понять.

Если цинк поместить в электролит (раствор какой-либо соли), то из металла в раствор будут обратимо выделяться ионы цинка. Обратимо - означает, что часть ионов цинка будут возвращаться на цинковый электрод (электрохимики говорят, что существует одновременно два тока - катодный и анодный, зависящие от потенциала и когда эти токи сравняются, потенциал будет равновесным). При этом цинк приобретет электрический потенциал (отрицательный относительно стандартного водородного электрода). Величина этого потенциала будет по уравнению Нернста зависеть от концентрации в электролите ионов цинка или других активных ионов (тех которые могут восстанавливаться при полученном цинком потенциале). Чем ниже концентрация ионов цинка в электролите, тем отрицательнее будет потенциал цинка.
Для ионов меди равновесный потенциал не совпадает с потенциалом цинка, поэтому катодный ток для них будет во много раз выше анодного, то есть медь будет выделяться на металлическом электроде - в данном случае цинковом, но в принципе на любом, потенциал которого ниже равновесного для ионов меди.
Потенциалы электродов можно менять так же с помощью внешнего источника тока - тогда анод будет растворяться, а на катоде будет происходить выделение металла из электролита.

-- 18.05.2020, 17:33 --

arseniiv в сообщении #1463642 писал(а):
Вообще кстати вряд ли напрямую, так как ионы в воде гидратированы

Электрохимические реакции удивительны своей обратимостью. В том смысле, что проходя множество стадий превращений, они (обычно) не диссипируют энергию, а вся она реализуется в виде потенциала. Например, при выделении водорода, он восстанавливается в атомарном виде, а затем идет стадия молизации (соединении атомов водорода в молекулу). Молизация сильно экзотермическая реакция, но на электроде она просто снижает повышает потенциал платины, как будто восстановление идет сразу до молекулярного водорода в одну стадию.

 Профиль  
                  
 
 Re: Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение18.05.2020, 18:54 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


27/04/09
27140
Спасибо, интересно. Да, я примерно про такое хотел сказать: «при встрече атома цинка с катионом меди» из слов ТС — скорее всего исключение, чем правило, и заряд передаётся как-нибудь через поляризованные молекулы воды, восстанавливая водород, а потом его в конечном итоге опять окисляя.

 Профиль  
                  
 
 Re: Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение18.05.2020, 23:36 


28/08/13
485
Тогда такой вопрос, думаю, он здесь уместен, - про электролиз солей, стоящих в ряду стандартных электродных потенциалов левее магния. Пусть проводится электролиз водного раствора хлорида натрия. Хлорид-анионы окисляются на аноде в хлор, а на катоде вместо восстановления натрия происходит восстановление водорода из воды. Правильно я понимаю, что на самом деле восстанавливается натрий, но он тут же вступает в реакцию с водой, выделяя водород?

 Профиль  
                  
 
 Re: Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение18.05.2020, 23:45 


01/03/13
1119
Ascold в сообщении #1463739 писал(а):
Правильно я понимаю, что на самом деле восстанавливается натрий, но он тут же вступает в реакцию с водой, выделяя водород?

Про это в литературе никогда не встречал, но такое думаю возможно. Только правильнее говорить о параллельных реакциях. Основная реакция это непосредственное восстановление водорода из воды, и параллельно этому (если напряжение на электродах хватает) может восстанавливаться натрий, который сразу реагирует с водой. Но это только мое мнение.

-- 19.05.2020, 01:47 --

По крайней мере, если в качестве электрода брать ртуть, то в ней действительно начинает растворяться восстановленный из раствора натрий.

 Профиль  
                  
 
 Re: Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение19.05.2020, 01:02 


28/08/13
485
Osmiy в сообщении #1463742 писал(а):
Основная реакция это непосредственное восстановление водорода из воды

А почему тогда при электролизе хлорида меди на катоде выделяется только медь, а водород из воды - нет, вода ведь всё так же омывает катод?
Ещё к теме электрохимический вопрос - согласно ряду стандартных электродных потенциалов медь не должна вытеснять железо из растворов солей. Однако стандартная реакция травления печатных плат - $Cu+2FeCl_3=CuCl_2+2FeCl_2.$
Что нужно знать, чтобы понять это?

 Профиль  
                  
 
 Re: Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение19.05.2020, 02:36 


01/03/13
1119
Ascold в сообщении #1463763 писал(а):
А почему тогда при электролизе хлорида меди на катоде выделяется только медь, а водород из воды - нет, вода ведь всё так же омывает катод?

Если напряжение увеличить, то и водород тоже будет выделяться.

Ascold в сообщении #1463763 писал(а):
Ещё к теме электрохимический вопрос - согласно ряду стандартных электродных потенциалов медь не должна вытеснять железо из растворов солей.

Так медь и не выделяет железо из раствора. Там трёхвалентное железо превращается в двухвалентное. Реакция скорее всего происходит из-за плохой растворимости $CuCl$. Это обеспечивает низкий электродный потенциал меди по сравнению со стандартным. Потом уже $CuCl$ доокисливается до $CuCl_2$ избытком хлорного железа. Но это предположение, разбираться лень.

 Профиль  
                  
 
 Re: Электродные потенциалы и реакции замещения: не понимаю.
Сообщение19.05.2020, 08:52 
Аватара пользователя


07/03/16
02/06/20
1362
Ascold в сообщении #1463763 писал(а):
Ещё к теме электрохимический вопрос - согласно ряду стандартных электродных потенциалов медь не должна вытеснять железо из растворов солей. Однако стандартная реакция травления печатных плат - $Cu+2FeCl_3=CuCl_2+2FeCl_2.$
Что нужно знать, чтобы понять это?

Если коротко, то надо брать в расчет не стандартные электродные потенциалы, а $red/ox$-потенциалы ионов железа в разной степени окисления.
А если длинно, то лучше сюда: Окислительно-восстановительные потенциалы и электроды

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 12 ] 

Модераторы: photon, Toucan, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group