IChO 1985 · Theory problem 5
Thermodynamics of a zinc - silver sulphate galvanic cell
The equilibrium voltage of the cell,
\[ \ce{Zn}\;/\;\ce{ZnSO4}\;(0.0125\ \mathrm{M}) \;\|\; \ce{Ag2SO4}\;(0.0125\ \mathrm{M})\;/\;\ce{Ag} \]
was measured at several temperatures and the results of the measurements are given in the following table:
| \(t\,/\,^\circ\mathrm{C}\) | 10 | 20 | 30 |
|---|---|---|---|
| \(E\,/\,\mathrm{V}\) | 1.5784 | 1.5675 | 1.5566 |
Problems:
5.1 Give the equation for the reaction occurring in this galvanic cell.
5.2 Determine the value of the cell voltage at the temperature T = 298 K.
5.3 Determine \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}\) of the cell reaction.
5.4 Determine \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\) of the cell reaction.
Official English text of the problem.
Answers
- 5.1 \(\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}\), equivalently \(\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}\).
- 5.2 \(E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}\), or approximately \(1.562\ \mathrm{V}\).
- 5.3 \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
- 5.4 \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
The molar quantities refer to the reaction as written, consuming one mole of zinc.
Solution
5.1
For the cell written, the positive voltage corresponds to oxidation at the left-hand zinc electrode and reduction at the right-hand silver electrode.
Anode: \[ \ce{Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2e-} \]
Cathode: \[ \ce{2Ag+(aq) + 2e- -> 2Ag(s)} \]
Adding the half-reactions gives \[ \boxed{\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}}. \]
Thus, the number of electrons transferred per reaction as written is \(n=2\). Sulfate is a spectator ion, so the equivalent salt equation is \[ \boxed{\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}}. \]
The ionic species are zinc(II) ion [Zn+2], silver(I) ion [Ag+], and sulfate ion [O-]S(=O)(=O)[O-]. The salts are zinc sulfate [Zn+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] and silver(I) sulfate [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-]. These disconnected ionic SMILES specify composition; they do not represent hydration or ion association in solution.
5.2
The voltage decreases by \(0.0109\ \mathrm{V}\) in each \(10^\circ\mathrm{C}\) interval. We therefore interpolate linearly over the measured range:
\[ \left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p =\frac{1.5566-1.5784}{303.15-283.15} =-1.090\times10^{-3}\ \mathrm{V\,K^{-1}}. \]
At \(T=298\ \mathrm{K}\), \(t=24.85^\circ\mathrm{C}\). Hence
\[ \begin{aligned} E_{298} &=1.5675+ \left(-1.090\times10^{-3}\right)(298-293.15)\\ &=1.5622135\ \mathrm{V}. \end{aligned} \]
Therefore, \[ \boxed{E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}}. \]
Using the usual approximation \(298\ \mathrm{K}\approx25^\circ\mathrm{C}\) instead gives \(1.56205\ \mathrm{V}\); both results are approximately \(1.562\ \mathrm{V}\).
5.3
For a reversible galvanic cell, \[ \Delta_{\mathrm r}G=-nFE. \]
Using the standard Faraday constant \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G_{298} &=-2(96485)(1.5622135)\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=-301460\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Thus, \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
This is the reaction Gibbs energy at the specified solution concentrations.
5.4
At constant pressure and fixed composition, \[ \left(\frac{\partial\Delta_{\mathrm r}G}{\partial T}\right)_p =-\Delta_{\mathrm r}S. \]
Differentiating \(\Delta_{\mathrm r}G=-nFE\) therefore gives \[ \Delta_{\mathrm r}S =nF\left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p. \]
Consequently, \[ \Delta_{\mathrm r}S_{298} =2(96485)(-1.090\times10^{-3}) =-210.3373\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \]
Using \(\Delta_{\mathrm r}H=\Delta_{\mathrm r}G+T\Delta_{\mathrm r}S\),
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H_{298} &=-301.4603+ 298(-0.2103373)\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\\ &=-364.1409\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Hence, \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
The negative sign shows that the cell reaction is exothermic.
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IChO 1985 · Theorieaufgabe 5
Thermodynamik einer galvanischen Zink-Silbersulfat-Zelle
Die Gleichgewichtsspannung der Zelle
\[ \ce{Zn}\;/\;\ce{ZnSO4}\;(0.0125\ \mathrm{M}) \;\|\; \ce{Ag2SO4}\;(0.0125\ \mathrm{M})\;/\;\ce{Ag} \]
wurde bei mehreren Temperaturen gemessen. Die Messergebnisse sind in der folgenden Tabelle angegeben:
| \(t\,/\,^\circ\mathrm{C}\) | 10 | 20 | 30 |
|---|---|---|---|
| \(E\,/\,\mathrm{V}\) | 1.5784 | 1.5675 | 1.5566 |
Aufgaben:
5.1 Geben Sie die Gleichung für die in dieser galvanischen Zelle ablaufende Reaktion an.
5.2 Bestimmen Sie den Wert der Zellspannung bei der Temperatur T = 298 K.
5.3 Bestimmen Sie \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}\) der Zellreaktion.
5.4 Bestimmen Sie \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\) der Zellreaktion.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 5.1 \(\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}\), gleichwertig dazu \(\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}\).
- 5.2 \(E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}\), oder näherungsweise \(1.562\ \mathrm{V}\).
- 5.3 \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
- 5.4 \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Die molaren Größen beziehen sich auf die Reaktion in der angegebenen Form, bei der ein Mol Zink verbraucht wird.
Lösung
5.1
Bei der angegebenen Zellschreibweise entspricht die positive Spannung einer Oxidation an der linken Zinkelektrode und einer Reduktion an der rechten Silberelektrode.
Anode: \[ \ce{Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2e-} \]
Kathode: \[ \ce{2Ag+(aq) + 2e- -> 2Ag(s)} \]
Durch Addition der Teilreaktionen erhält man \[ \boxed{\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}}. \]
Die Anzahl der pro Reaktion in der angegebenen Form übertragenen Elektronen beträgt somit \(n=2\). Sulfat ist ein Zuschauerion, sodass die gleichwertige Reaktionsgleichung mit den Salzen lautet: \[ \boxed{\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}}. \]
Die ionischen Spezies sind das Zink(II)-Ion [Zn+2], das Silber(I)-Ion [Ag+] und das Sulfat-Ion [O-]S(=O)(=O)[O-]. Die Salze sind Zinksulfat [Zn+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] und Silber(I)-sulfat [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-]. Diese SMILES mit getrennten ionischen Komponenten geben die Zusammensetzung an; sie stellen weder die Hydratation noch die Ionenassoziation in Lösung dar.
5.2
Die Spannung nimmt um \(0.0109\ \mathrm{V}\) pro Intervall von \(10^\circ\mathrm{C}\) ab. Daher interpolieren wir im gemessenen Bereich linear:
\[ \left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p =\frac{1.5566-1.5784}{303.15-283.15} =-1.090\times10^{-3}\ \mathrm{V\,K^{-1}}. \]
Bei \(T=298\ \mathrm{K}\) gilt \(t=24.85^\circ\mathrm{C}\). Somit ergibt sich
\[ \begin{aligned} E_{298} &=1.5675+ \left(-1.090\times10^{-3}\right)(298-293.15)\\ &=1.5622135\ \mathrm{V}. \end{aligned} \]
Daher gilt \[ \boxed{E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}}. \]
Verwendet man stattdessen die übliche Näherung \(298\ \mathrm{K}\approx25^\circ\mathrm{C}\), erhält man \(1.56205\ \mathrm{V}\); beide Ergebnisse betragen näherungsweise \(1.562\ \mathrm{V}\).
5.3
Für eine reversible galvanische Zelle gilt \[ \Delta_{\mathrm r}G=-nFE. \]
Mit dem üblichen Wert der Faraday-Konstante \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\) ergibt sich
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G_{298} &=-2(96485)(1.5622135)\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=-301460\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Somit gilt \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Dies ist die Gibbs-Reaktionsenergie bei den angegebenen Lösungskonzentrationen.
5.4
Bei konstantem Druck und fester Zusammensetzung gilt \[ \left(\frac{\partial\Delta_{\mathrm r}G}{\partial T}\right)_p =-\Delta_{\mathrm r}S. \]
Durch Differenzieren von \(\Delta_{\mathrm r}G=-nFE\) erhält man daher \[ \Delta_{\mathrm r}S =nF\left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p. \]
Folglich gilt \[ \Delta_{\mathrm r}S_{298} =2(96485)(-1.090\times10^{-3}) =-210.3373\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \]
Mit \(\Delta_{\mathrm r}H=\Delta_{\mathrm r}G+T\Delta_{\mathrm r}S\) ergibt sich
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H_{298} &=-301.4603+ 298(-0.2103373)\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\\ &=-364.1409\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Somit gilt \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Das negative Vorzeichen zeigt, dass die Zellreaktion exotherm ist.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IChO 1985 · Teori sorusu 5
Çinko - gümüş sülfat galvanik pilinin termodinamiği
Aşağıdaki pilin denge gerilimi,
\[ \ce{Zn}\;/\;\ce{ZnSO4}\;(0.0125\ \mathrm{M}) \;\|\; \ce{Ag2SO4}\;(0.0125\ \mathrm{M})\;/\;\ce{Ag} \]
birkaç farklı sıcaklıkta ölçülmüş ve ölçüm sonuçları aşağıdaki tabloda verilmiştir:
| \(t\,/\,^\circ\mathrm{C}\) | 10 | 20 | 30 |
|---|---|---|---|
| \(E\,/\,\mathrm{V}\) | 1.5784 | 1.5675 | 1.5566 |
Sorular:
5.1 Bu galvanik pilde gerçekleşen tepkimenin denklemini yazınız.
5.2 T = 298 K sıcaklığında pil geriliminin değerini belirleyiniz.
5.3 Pil tepkimesinin \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}\) değerini belirleyiniz.
5.4 Pil tepkimesinin \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\) değerini belirleyiniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 5.1 \(\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}\), eşdeğer olarak \(\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}\).
- 5.2 \(E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}\) veya yaklaşık \(1.562\ \mathrm{V}\).
- 5.3 \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
- 5.4 \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Molar büyüklükler, bir mol çinkonun tüketildiği, yazıldığı biçimdeki tepkimeye aittir.
Çözüm
5.1
Verilen pil gösteriminde pozitif gerilim, soldaki çinko elektrotta yükseltgenmeye ve sağdaki gümüş elektrotta indirgenmeye karşılık gelir.
Anot: \[ \ce{Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2e-} \]
Katot: \[ \ce{2Ag+(aq) + 2e- -> 2Ag(s)} \]
Yarı tepkimeler toplandığında şu denklem elde edilir: \[ \boxed{\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}}. \]
Dolayısıyla, yazıldığı biçimdeki tepkime başına aktarılan elektron sayısı \(n=2\)'dir. Sülfat seyirci iyon olduğundan, tuzlar cinsinden eşdeğer denklem şöyledir: \[ \boxed{\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}}. \]
İyonik türler çinko(II) iyonu [Zn+2], gümüş(I) iyonu [Ag+] ve sülfat iyonu [O-]S(=O)(=O)[O-]'dur. Tuzlar ise çinko sülfat [Zn+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] ve gümüş(I) sülfat [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-]'tır. Birbirine bağlı olmayan iyonları içeren bu SMILES gösterimleri bileşimi belirtir; çözeltideki hidratasyonu veya iyon birleşmesini temsil etmez.
5.2
Gerilim, her \(10^\circ\mathrm{C}\)'lik aralıkta \(0.0109\ \mathrm{V}\) azalır. Bu nedenle ölçüm yapılan aralıkta doğrusal interpolasyon uygularız:
\[ \left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p =\frac{1.5566-1.5784}{303.15-283.15} =-1.090\times10^{-3}\ \mathrm{V\,K^{-1}}. \]
\(T=298\ \mathrm{K}\) için \(t=24.85^\circ\mathrm{C}\)'dir. Dolayısıyla
\[ \begin{aligned} E_{298} &=1.5675+ \left(-1.090\times10^{-3}\right)(298-293.15)\\ &=1.5622135\ \mathrm{V}. \end{aligned} \]
Böylece, \[ \boxed{E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}}. \]
Bunun yerine yaygın olarak kullanılan \(298\ \mathrm{K}\approx25^\circ\mathrm{C}\) yaklaşımı kullanılırsa \(1.56205\ \mathrm{V}\) elde edilir; her iki sonuç da yaklaşık \(1.562\ \mathrm{V}\)'tur.
5.3
Tersinir bir galvanik pil için, \[ \Delta_{\mathrm r}G=-nFE. \]
Standart Faraday sabiti \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\) kullanıldığında,
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G_{298} &=-2(96485)(1.5622135)\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=-301460\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Böylece, \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Bu, belirtilen çözelti derişimlerindeki tepkime Gibbs enerjisidir.
5.4
Sabit basınçta ve sabit bileşimde, \[ \left(\frac{\partial\Delta_{\mathrm r}G}{\partial T}\right)_p =-\Delta_{\mathrm r}S. \]
Dolayısıyla \(\Delta_{\mathrm r}G=-nFE\) bağıntısının türevi alındığında \[ \Delta_{\mathrm r}S =nF\left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p. \]
Sonuç olarak, \[ \Delta_{\mathrm r}S_{298} =2(96485)(-1.090\times10^{-3}) =-210.3373\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \]
\(\Delta_{\mathrm r}H=\Delta_{\mathrm r}G+T\Delta_{\mathrm r}S\) bağıntısı kullanıldığında,
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H_{298} &=-301.4603+ 298(-0.2103373)\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\\ &=-364.1409\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Dolayısıyla, \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Negatif işaret, pil tepkimesinin ekzotermik olduğunu gösterir.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1985 · Problema teórico 5
Termodinámica de una pila galvánica de zinc - sulfato de plata
La tensión de equilibrio de la pila,
\[ \ce{Zn}\;/\;\ce{ZnSO4}\;(0.0125\ \mathrm{M}) \;\|\; \ce{Ag2SO4}\;(0.0125\ \mathrm{M})\;/\;\ce{Ag} \]
se midió a varias temperaturas y los resultados de las mediciones se presentan en la siguiente tabla:
| \(t\,/\,^\circ\mathrm{C}\) | 10 | 20 | 30 |
|---|---|---|---|
| \(E\,/\,\mathrm{V}\) | 1.5784 | 1.5675 | 1.5566 |
Cuestiones:
5.1 Escriba la ecuación de la reacción que tiene lugar en esta pila galvánica.
5.2 Determine el valor de la tensión de la pila a la temperatura T = 298 K.
5.3 Determine \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}\) de la reacción de la pila.
5.4 Determine \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\) de la reacción de la pila.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 5.1 \(\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}\), o, de forma equivalente, \(\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}\).
- 5.2 \(E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}\), o aproximadamente \(1.562\ \mathrm{V}\).
- 5.3 \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
- 5.4 \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Las magnitudes molares se refieren a la reacción tal como está escrita, en la que se consume un mol de zinc.
Solución
5.1
Para la pila tal como está escrita, la tensión positiva corresponde a la oxidación en el electrodo de zinc de la izquierda y a la reducción en el electrodo de plata de la derecha.
Ánodo: \[ \ce{Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2e-} \]
Cátodo: \[ \ce{2Ag+(aq) + 2e- -> 2Ag(s)} \]
Al sumar las semirreacciones se obtiene \[ \boxed{\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}}. \]
Por tanto, el número de electrones transferidos por reacción tal como está escrita es \(n=2\). El sulfato es un ion espectador, por lo que la ecuación equivalente en términos de las sales es \[ \boxed{\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}}. \]
Las especies iónicas son el ion zinc(II) [Zn+2], el ion plata(I) [Ag+] y el ion sulfato [O-]S(=O)(=O)[O-]. Las sales son el sulfato de zinc [Zn+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] y el sulfato de plata(I) [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-]. Estas representaciones SMILES de iones desconectados especifican la composición; no representan la hidratación ni la asociación iónica en disolución.
5.2
La tensión disminuye en \(0.0109\ \mathrm{V}\) en cada intervalo de \(10^\circ\mathrm{C}\). Por tanto, interpolamos linealmente en el intervalo de temperaturas medido:
\[ \left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p =\frac{1.5566-1.5784}{303.15-283.15} =-1.090\times10^{-3}\ \mathrm{V\,K^{-1}}. \]
A \(T=298\ \mathrm{K}\), \(t=24.85^\circ\mathrm{C}\). Por consiguiente,
\[ \begin{aligned} E_{298} &=1.5675+ \left(-1.090\times10^{-3}\right)(298-293.15)\\ &=1.5622135\ \mathrm{V}. \end{aligned} \]
Por tanto, \[ \boxed{E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}}. \]
Si se utiliza en su lugar la aproximación habitual \(298\ \mathrm{K}\approx25^\circ\mathrm{C}\), se obtiene \(1.56205\ \mathrm{V}\); ambos resultados son aproximadamente \(1.562\ \mathrm{V}\).
5.3
Para una pila galvánica reversible, \[ \Delta_{\mathrm r}G=-nFE. \]
Utilizando el valor estándar de la constante de Faraday \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G_{298} &=-2(96485)(1.5622135)\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=-301460\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Así, \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Esta es la energía de Gibbs de reacción a las concentraciones de las disoluciones especificadas.
5.4
A presión constante y composición fija, \[ \left(\frac{\partial\Delta_{\mathrm r}G}{\partial T}\right)_p =-\Delta_{\mathrm r}S. \]
Por tanto, al derivar \(\Delta_{\mathrm r}G=-nFE\) se obtiene \[ \Delta_{\mathrm r}S =nF\left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p. \]
En consecuencia, \[ \Delta_{\mathrm r}S_{298} =2(96485)(-1.090\times10^{-3}) =-210.3373\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \]
Utilizando \(\Delta_{\mathrm r}H=\Delta_{\mathrm r}G+T\Delta_{\mathrm r}S\),
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H_{298} &=-301.4603+ 298(-0.2103373)\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\\ &=-364.1409\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Por consiguiente, \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
El signo negativo indica que la reacción de la pila es exotérmica.
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IChO 1985 · 理论题 5
锌-硫酸银原电池的热力学
在若干温度下测量了下列电池的平衡电动势,
\[ \ce{Zn}\;/\;\ce{ZnSO4}\;(0.0125\ \mathrm{M}) \;\|\; \ce{Ag2SO4}\;(0.0125\ \mathrm{M})\;/\;\ce{Ag} \]
测量结果列于下表:
| \(t\,/\,^\circ\mathrm{C}\) | 10 | 20 | 30 |
|---|---|---|---|
| \(E\,/\,\mathrm{V}\) | 1.5784 | 1.5675 | 1.5566 |
问题:
5.1 写出该原电池中发生的反应的方程式。
5.2 求温度 T = 298 K 时的电池电动势。
5.3 求电池反应的 \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}\)。
5.4 求电池反应的 \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\)。
题目译自官方英文原文。
答案
- 5.1 \(\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}\),等价地,\(\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}\)。
- 5.2 \(E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}\),或近似为 \(1.562\ \mathrm{V}\)。
- 5.3 \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。
- 5.4 \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\)。
这些摩尔量均对应于所写的反应,即消耗一摩尔锌的反应。
解答
5.1
对于所写的电池,电动势为正意味着左侧锌电极上发生氧化反应,右侧银电极上发生还原反应。
阳极: \[ \ce{Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2e-} \]
阴极: \[ \ce{2Ag+(aq) + 2e- -> 2Ag(s)} \]
将两个半反应相加,得到 \[ \boxed{\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}}. \]
因此,按所写反应计,转移的电子数为 \(n=2\)。硫酸根离子是旁观离子,因此用盐表示的等价反应方程式为 \[ \boxed{\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}}. \]
其中的离子种类为锌(II)离子 [Zn+2]、银(I)离子 [Ag+] 和硫酸根离子 [O-]S(=O)(=O)[O-]。盐为硫酸锌 [Zn+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] 和硫酸银(I) [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-]。这些以不相连的离子表示的 SMILES 指明了组成;它们不表示溶液中的水合或离子缔合情况。
5.2
电动势降低 \(0.0109\ \mathrm{V}\) 对应于温度每升高 \(10^\circ\mathrm{C}\)。因此,我们在测量范围内进行线性插值:
\[ \left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p =\frac{1.5566-1.5784}{303.15-283.15} =-1.090\times10^{-3}\ \mathrm{V\,K^{-1}}. \]
在 \(T=298\ \mathrm{K}\) 时,\(t=24.85^\circ\mathrm{C}\)。因此
\[ \begin{aligned} E_{298} &=1.5675+ \left(-1.090\times10^{-3}\right)(298-293.15)\\ &=1.5622135\ \mathrm{V}. \end{aligned} \]
所以, \[ \boxed{E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}}. \]
若采用通常的近似 \(298\ \mathrm{K}\approx25^\circ\mathrm{C}\),则得到 \(1.56205\ \mathrm{V}\);两个结果均约为 \(1.562\ \mathrm{V}\)。
5.3
对于可逆原电池, \[ \Delta_{\mathrm r}G=-nFE. \]
采用标准法拉第常数 \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\),
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G_{298} &=-2(96485)(1.5622135)\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=-301460\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
因此, \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
这是在指定溶液浓度下的反应吉布斯能。
5.4
在恒压且组成固定的条件下, \[ \left(\frac{\partial\Delta_{\mathrm r}G}{\partial T}\right)_p =-\Delta_{\mathrm r}S. \]
因此,对 \(\Delta_{\mathrm r}G=-nFE\) 求导,得到 \[ \Delta_{\mathrm r}S =nF\left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p. \]
由此可得, \[ \Delta_{\mathrm r}S_{298} =2(96485)(-1.090\times10^{-3}) =-210.3373\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \]
利用 \(\Delta_{\mathrm r}H=\Delta_{\mathrm r}G+T\Delta_{\mathrm r}S\),
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H_{298} &=-301.4603+ 298(-0.2103373)\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\\ &=-364.1409\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
因此, \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
负号表明该电池反应是放热反应。
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处,均为官方解答中的错误或印刷错误。
IChO 1985 · Теоретическая задача 5
Термодинамика цинк-серебряного сульфатного гальванического элемента
Равновесное напряжение элемента
\[ \ce{Zn}\;/\;\ce{ZnSO4}\;(0.0125\ \mathrm{M}) \;\|\; \ce{Ag2SO4}\;(0.0125\ \mathrm{M})\;/\;\ce{Ag} \]
измерили при нескольких температурах; результаты измерений приведены в следующей таблице:
| \(t\,/\,^\circ\mathrm{C}\) | 10 | 20 | 30 |
|---|---|---|---|
| \(E\,/\,\mathrm{V}\) | 1.5784 | 1.5675 | 1.5566 |
Задания:
5.1 Запишите уравнение реакции, протекающей в этом гальваническом элементе.
5.2 Определите напряжение элемента при температуре T = 298 K.
5.3 Определите \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}\) реакции, протекающей в элементе.
5.4 Определите \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\) реакции, протекающей в элементе.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 5.1 \(\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}\), или эквивалентная запись: \(\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}\).
- 5.2 \(E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}\), или приближённо \(1.562\ \mathrm{V}\).
- 5.3 \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
- 5.4 \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Молярные величины относятся к реакции в записанном виде, в которой расходуется один моль цинка.
Решение
5.1
Для элемента, схема которого приведена выше, положительное напряжение соответствует окислению на левом цинковом электроде и восстановлению на правом серебряном электроде.
Анод: \[ \ce{Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2e-} \]
Катод: \[ \ce{2Ag+(aq) + 2e- -> 2Ag(s)} \]
Складывая полуреакции, получаем \[ \boxed{\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}}. \]
Таким образом, число электронов, передаваемых в реакции в записанном виде, равно \(n=2\). Сульфат-ион не участвует в реакции, поэтому эквивалентное уравнение с участием солей имеет вид \[ \boxed{\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}}. \]
Ионные частицы — это ион цинка(II) [Zn+2], ион серебра(I) [Ag+] и сульфат-ион [O-]S(=O)(=O)[O-]. Соли — сульфат цинка [Zn+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] и сульфат серебра(I) [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-]. Эти записи SMILES с несвязанными ионными фрагментами задают состав; они не отражают гидратацию или ассоциацию ионов в растворе.
5.2
Напряжение уменьшается на \(0.0109\ \mathrm{V}\) в каждом интервале \(10^\circ\mathrm{C}\). Поэтому в пределах измеренного диапазона проводим линейную интерполяцию:
\[ \left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p =\frac{1.5566-1.5784}{303.15-283.15} =-1.090\times10^{-3}\ \mathrm{V\,K^{-1}}. \]
При \(T=298\ \mathrm{K}\) температура \(t=24.85^\circ\mathrm{C}\). Следовательно,
\[ \begin{aligned} E_{298} &=1.5675+ \left(-1.090\times10^{-3}\right)(298-293.15)\\ &=1.5622135\ \mathrm{V}. \end{aligned} \]
Таким образом, \[ \boxed{E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}}. \]
Если вместо этого использовать обычное приближение \(298\ \mathrm{K}\approx25^\circ\mathrm{C}\), получается \(1.56205\ \mathrm{V}\); оба результата приближённо равны \(1.562\ \mathrm{V}\).
5.3
Для обратимого гальванического элемента \[ \Delta_{\mathrm r}G=-nFE. \]
Используя стандартное значение постоянной Фарадея \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\), получаем
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G_{298} &=-2(96485)(1.5622135)\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=-301460\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Таким образом, \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Это энергия Гиббса реакции при заданных концентрациях растворов.
5.4
При постоянном давлении и неизменном составе \[ \left(\frac{\partial\Delta_{\mathrm r}G}{\partial T}\right)_p =-\Delta_{\mathrm r}S. \]
Поэтому дифференцирование \(\Delta_{\mathrm r}G=-nFE\) даёт \[ \Delta_{\mathrm r}S =nF\left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p. \]
Следовательно, \[ \Delta_{\mathrm r}S_{298} =2(96485)(-1.090\times10^{-3}) =-210.3373\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \]
Используя \(\Delta_{\mathrm r}H=\Delta_{\mathrm r}G+T\Delta_{\mathrm r}S\), получаем
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H_{298} &=-301.4603+ 298(-0.2103373)\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\\ &=-364.1409\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Следовательно, \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
Отрицательный знак показывает, что реакция, протекающая в элементе, экзотермическая.
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1985 · مسألة نظرية 5
الديناميكا الحرارية لخلية جلفانية من الزنك وكبريتات الفضة
قيس جهد الاتزان للخلية،
\[ \ce{Zn}\;/\;\ce{ZnSO4}\;(0.0125\ \mathrm{M}) \;\|\; \ce{Ag2SO4}\;(0.0125\ \mathrm{M})\;/\;\ce{Ag} \]
عند عدة درجات حرارة، وترد نتائج القياسات في الجدول الآتي:
| \(t\,/\,^\circ\mathrm{C}\) | 10 | 20 | 30 |
|---|---|---|---|
| \(E\,/\,\mathrm{V}\) | 1.5784 | 1.5675 | 1.5566 |
المطلوب:
5.1 اكتب معادلة التفاعل الذي يحدث في هذه الخلية الجلفانية.
5.2 حدد قيمة جهد الخلية عند درجة الحرارة T = 298 K.
5.3 حدد \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}\) لتفاعل الخلية.
5.4 حدد \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\) لتفاعل الخلية.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 5.1 \(\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}\)، أو بصورة مكافئة \(\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}\).
- 5.2 \(E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}\)، أو تقريبًا \(1.562\ \mathrm{V}\).
- 5.3 \(\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
- 5.4 \(\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
تشير الكميات المولية إلى التفاعل كما كُتب، الذي يستهلك مولًا واحدًا من الزنك.
الحل
5.1
بالنسبة إلى الخلية كما كُتبت، يقابل الجهد الموجب حدوث الأكسدة عند قطب الزنك الأيسر والاختزال عند قطب الفضة الأيمن.
المصعد: \[ \ce{Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2e-} \]
المهبط: \[ \ce{2Ag+(aq) + 2e- -> 2Ag(s)} \]
بجمع نصفي التفاعل نحصل على \[ \boxed{\ce{Zn(s) + 2Ag+(aq) -> Zn^2+(aq) + 2Ag(s)}}. \]
إذن، عدد الإلكترونات المنتقلة لكل تفاعل كما كُتب هو \(n=2\). وأيون الكبريتات أيون متفرج، لذا فإن المعادلة المكافئة بصيغة الأملاح هي \[ \boxed{\ce{Zn(s) + Ag2SO4(aq) -> ZnSO4(aq) + 2Ag(s)}}. \]
الأنواع الأيونية هي أيون الزنك(II) [Zn+2]، وأيون الفضة(I) [Ag+]، وأيون الكبريتات [O-]S(=O)(=O)[O-]. والأملاح هي كبريتات الزنك [Zn+2].[O-]S(=O)(=O)[O-] وكبريتات الفضة(I) [Ag+].[Ag+].[O-]S(=O)(=O)[O-]. تحدد صيغ SMILES الأيونية هذه، ذات المكونات المنفصلة، التركيب؛ وهي لا تمثل الإماهة أو ترابط الأيونات في المحلول.
5.2
ينخفض الجهد بمقدار \(0.0109\ \mathrm{V}\) في كل فترة مقدارها \(10^\circ\mathrm{C}\). لذلك نجري استيفاءً خطيًا ضمن نطاق القياسات:
\[ \left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p =\frac{1.5566-1.5784}{303.15-283.15} =-1.090\times10^{-3}\ \mathrm{V\,K^{-1}}. \]
عند \(T=298\ \mathrm{K}\)، تكون \(t=24.85^\circ\mathrm{C}\). ومن ثم
\[ \begin{aligned} E_{298} &=1.5675+ \left(-1.090\times10^{-3}\right)(298-293.15)\\ &=1.5622135\ \mathrm{V}. \end{aligned} \]
وعليه، \[ \boxed{E_{298}=1.5622\ \mathrm{V}}. \]
أما استخدام التقريب المعتاد \(298\ \mathrm{K}\approx25^\circ\mathrm{C}\) فيعطي بدلًا من ذلك \(1.56205\ \mathrm{V}\)؛ وكلتا النتيجتين تساوي تقريبًا \(1.562\ \mathrm{V}\).
5.3
بالنسبة إلى خلية جلفانية عكوسة، \[ \Delta_{\mathrm r}G=-nFE. \]
باستخدام القيمة القياسية لثابت فاراداي \(F=96485\ \mathrm{C\,mol^{-1}}\)،
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G_{298} &=-2(96485)(1.5622135)\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=-301460\ \mathrm{J\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
إذن، \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}G_{298}=-301.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
هذه هي طاقة غيبس للتفاعل عند تراكيز المحاليل المحددة.
5.4
عند ثبات الضغط والتركيب، \[ \left(\frac{\partial\Delta_{\mathrm r}G}{\partial T}\right)_p =-\Delta_{\mathrm r}S. \]
لذلك، بتفاضل \(\Delta_{\mathrm r}G=-nFE\) نحصل على \[ \Delta_{\mathrm r}S =nF\left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)_p. \]
وبالتالي، \[ \Delta_{\mathrm r}S_{298} =2(96485)(-1.090\times10^{-3}) =-210.3373\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \]
باستخدام \(\Delta_{\mathrm r}H=\Delta_{\mathrm r}G+T\Delta_{\mathrm r}S\)،
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H_{298} &=-301.4603+ 298(-0.2103373)\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}\\ &=-364.1409\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
ومن ثم، \[ \boxed{\Delta_{\mathrm r}H_{298}\approx-364.1\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \]
تدل الإشارة السالبة على أن تفاعل الخلية طارد للحرارة.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.