Занятие №5 Тема: «Окислительно–восстановительные взаимодействия. Гальванические элементы. Определение окислительно-восстановительных потенциалов».

 

1. Вопросы для обсуждения:

1. Понятие об окислительно-восстановительных процессах. Окислители и восстановители.

2. Электродные потенциалы, механизмы их возникновения. Формула Нернста для расчета величины электродного потенциала.

3. Виды электродов. Нормальный (стандартный) электродный потенциал.

4. Гальванические элементы, их классификация. Устройство и принцип работы биметаллических и концентрационных элементов.

5. Понятие об ЭДC гальванических элементов. Уравнение Нернста.

6. Виды биологических потенциалов, механизмы их возникновения:

a) диффузный; б) мембранный (потенциал покоя и повреждения); в) потенциал течения

г) окислительно-восстановительный (редокс-потенциал).

7. Взаимосвязь между ЭДС, K_р, ∆G. Направленность окислительно-восстановительных реакций.

8. Значение окислительно-восстановительных потенциалов в механизмах процессов биологического окисления.

9. Методы оксидиметрии: перманганатометрия и йодометрия, их применение в лабораторно-клиническом анализе.

2. Ситуационные задачи:

Задача № 1. Рассчитать электродный потенциал медного электрода в 0,1 M растворе CuSO₄.

Решение. В стандартных условиях электродная реакция записанная, как процесс восстановления имеет вид: Сu²⁺ + 2ē " Cu e^о = + 0,34 В.

По уравнению Нернста:

 

Задача № 2. Рассчитать ЭДС гальванического элемента:

(-) Zn ï Zn(NO₃)₂ (0,1 М) ïï Pb (NO₃)₂ (1 M) ï Pb (+)

Решение:

Zn - 2ē " Zn⁺² 2 1 окисление, анод, e^o = -0,76 B

Pb⁺² + 2ē " Pb 1 восстановление, катод, e^o = -0,13 B

Zn + Pb⁺² " Zn⁺² + Pb

Первый вариант:

E = E^о - , где Е^о = е^о _катода – е^о _анода

E⁰ = - 0,13 – (-0,76) = +0,63 B,

E = 0,63 – 0,0295 ´ lg , E = 0,63 – 0,0295 ´ lg 0,1 E = 0,63 + 0,0295 = + 0,66 B

Второй вариант:

Е = е _катода – е _анода E = e (Pb⁺²/Pb) – e (Zn⁺²/Zn)

1) е _катода = e ⁰ + = - 0,13 + 0,0295 ´ 0 = - 0,13 B

2) е _анода = e ⁰ + = - 0,76 + 0,0295 ´ (-1) = - 0,76 – 0,0296 = - 0,79 B

3) Е = - 0,13 – (- 0,79) = + 0,66 B

 

Задача № 3. Рассчитать ЭДС гальванического элемента:

Сu ï Cu(NO₃)₂ (0,1 М) ïï Cu (NO₃)₂ (1 M) ï Cu

Решение:

Cu - 2ē " Cu⁺² e^o = 0,34 B окисление, анод

Cu⁺² + 2ē " Cu e^o = 0,34 B восстановление, катод

Суммарная реакция: Cu + Cu⁺² (1M) " Cu⁺² (0,1M) + Cu

E = E^о - , где Е^о = е^о _катода – е^о _анода = 0,34 – 0,34 = 0 В

E = = 0,0295 ´ lg , E = 0,0295 ´ lg10 = 0,0295 B

Задача № 4. В каком направлении возможно самопроизвольное протекание реакции в стандартных условиях, если ,

3Na₂SO₄ + 2MnO₂ + 2KOH " 3Na₂SO₃ + 2KMnO₄ + H₂O

Решение: S⁺⁶ +2ē " S⁺⁴ 6 3 восстановление, катод, e^o = -0,93 B

Mn⁺⁴ -3ē " Mn⁺⁷ 2 окисление, анод, e^o = 0,6 B

Е^о = е^о _катода – е^о _анода = -0,93 – 0,6 = -1,53 В

E^o< 0 Þ DG > 0

Данная реакция самопроизвольно протекает в обратном направлении.

 

3. Выполнить тестовые задания (письменно):

		Восстановителями являются атомы или ионы в таких степенях окисления, в которых они способны:
	А	Присоединять электроны
	Б	Отдавать электроны
	В	Присоединять гидроксид-ионы
	Г	Отдавать протоны
		В фармацевтическом анализе в качестве окислителя используют дихромат калия. Определить степень окисления хрома в дихромат-ионе?
	А	+6
	Б	+7
	В	+3
	Г	+4
		Определить окислитель в данной реакции: H2S + 4Cl2 + 4H2O → H2SO4 + 8HCl
	А	H2S
	Б	Cl2
	В	H2O
	Г	HCl
		Какой процесс происходит по схеме S+6 → S+4 и сколько электронов принимает в нем участие?
	А	Восстановление, + 8е
	Б	Окисление, -2е
	В	Восстановление, + 4е
	Г	Восстановление, + 2е
		Указать вещество, в котором азот может быть только окислителем:
	А	HNO3
	Б	NO2
	В	HNO2
	Г	NH3
		Какой из приведенных процессов является полуреакцией восстановления:
	А	N2 → (NН4)+
	Б	MnO2 → (MnO4)-
	В	Cl2 → (ClO3)-
	Г	(SO3)2- → (SO4)2-
		Чему равна эквивалентная масса KMnO4, если он в процессе восстановления превращается в MnO2?
	А
	Б	52,7
	В	31,61
	Г
		На аноде гальванического элемента происходит процесс:
	А	Окисления
	Б	Присоединения электронов
	В	Восстановления
	Г	Отдачи протонов
		Какой из приведенных металлов является более сильным восстановителем:
	А	Cu
	Б	Fe
	В	Zn
	Г	Ag
		Как называется биопотенциал, который возникает на границе между двумя растворами, разделёнными полупроницаемой мембраной?
	А	Электродный
	Б	Диффузионный
	В	Мембранный
	Г	Потенциал повреждения
		Какова концентрация ионов Сu2+ в растворе, если потенциал медного электрода равняется его стандартному значению
	А	0,1 моль/л
	Б	0,5 моль/л
	В	1 моль/л
	Г	2 моль/л
		В качестве стандартного электрода для измерения электродных потенциалов используют электрод:
	А	Каломельный
	Б	Водородный
	В	Хингидронный
	Г	Стеклянный
		Гальванический элемент используют для:
	А	Превращения тепловой энергии в работу
	Б	Превращения химической энергии в электрическую
	В	Перехода электрической энергии в тепловую
	Г	Определения электропроводности растворов электролитов
		Каков критерий самопроизвольного процесса для ОВР?
	А	э.д.с.> 0, ∆G > 0
	Б	э.д.с.> 0, ∆G < 0
	В	э.д.с.< 0, ∆G > 0
	Г	э.д.с.< 0, ∆G < 0
		В каком направлении движутся электроны во внешней системе гальванического элемента Cd|Cd2+ || Cu2+|Cu?
	А	От кадмиевого электрода к медному
	Б	Медного электрода к кадмиевому
	В	Движения электронов в системе не происходит
		Не производя вычислений указать у какого гальванического элемента значение ЭДС будет наибольшим?
	А	Al|Al3+||Sn2+|Sn
	Б	Fe|Fe2+||Cu2+|Cu
	В	Al| Al3+||Ag+|Ag
		По какому уравнению рассчитывается мембранный потенциал
	А	e = RT/n ´ ln С1/С0
	Б	e = RT/nF ´ lnС1/С2
	В	e = RT/nF ´ lnСок/Свосст
	Г	e = 0,059/nF ´ lg С1/С2

4. Задачи для самостоятельного решения (выполнить письменно):

1. Уравнять окислительно-восстановительную реакцию методом электронного баланса, определить окислитель и восстановитель:

КMnO₄ + H₂O₂ + H₂SO₄ → MnSO₄ + K₂SO₄ + O₂ + H₂O

 

 

2. Рассчитать электродный потенциал серебряного электрода в 0,001 M растворе AgNO₃. Значения е^о см. в справочной таблице (стр. 95).

 

 

3. Определить ЭДС гальванического элемента, состоящего из металлического цинка, погруженного в 0,01 М раствор нитрата цинка и металлического никеля, погруженного в 0,02 М раствора нитрата никеля (II). Составить схему цепи.

 

 

4. Уравнять химическую реакцию методом электронного баланса. В каком направлении возможно самопроизвольное протекание реакции в стандартных условиях, если ,

NaBr + KMnO₄ + H₂O → NaOH + Br₂ + MnO₂ + KOH

 

 

5. Рассчитать ЭДС концентрационного гальванического элемента, состоящего из медных электродов, опущенных в растворы Cu(NO₃)₂ с соответствующей концентрацией электролита С₁ = 0,001 М и С₂ = 0,1 М? Записать схему электрохимической цепи (гальванического элемента).

 

 

5. Тематика рефератов по учебно-исcледовательской работе студентов (УИРС)

1. Роль окислительно-восстановительных реакций в процессе жизнедеятельности.

2. Применение электрохимических методов в медико-биологических исследованиях

3. Биологическая роль диффузного и мембранного потенциалов.

Лабораторная работа №1: “Определение молярной концентрации эквивалента FeSO₄ по титрованному раствору KMnO₄”.

Методы оксидиметрии широко применяются в клиническом, санитарно-гигиеническом анализе и при анализе фармацевтических препаратов. Методом перманганатометрии определяют содержание: кальция в крови, солей Fe (II), Cu (I) щавелевой кислоты. Этот метод применяется также для определения, так называемой, окисляемости воды, т. е. определение количества КMnO₄, необходимого для окисления органических веществ в сточных водах. Метод используется для определения концентрации пероксида водорода в фармацевтическом анализе. Перманганатометрией называется титриметрический метод, в котором в качестве рабочего раствора применяют перманганат калия (КMnO₄). Перманганат является сильным окислителем, особенно в кислой среде. Для подкисления применяют только серную кислоту.

В случае определения Fe (II) в основе метода лежит следующая реакция:

 

2KMnO₄ + 10FeSO₄ + 8H₂SO₄ → 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O

 

2Fe⁺² -2e^- = 2Fe⁺³ 5 окисление, восстановитель

Mn⁺⁷ +5e^- = Mn⁺² 2 восстановление, окислитель

Ход работы:

Для установления молярной концентрации FeSO₄ бюретку заполняют титрованным раствором KMnO₄ (С_f = 0,1 н). В коническую колбу для титрования переносят пипеткой 10 мл анализируемого раствора FeSO₄ и 8 мл серной кислоты, титруют рабочим раствором KMnO₄ до появления розовой окраски. Титрование повторяют 2-3 раза.

Молярную концентрацию эквивалента FeSO₄ определяют по формуле: