IChO 1991 · Theory problem 3
Silver/silver chloride and calomel electrodes
Type II electrodes that are made of a metal covered with a sparingly soluble salt of the metal are dipped into a soluble salt solution containing an anion of the sparingly soluble salt. The silver/silver chloride (\(\ce{Ag},\,\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\)) and the calomel electrode (\(\ce{Hg},\,\ce{Hg2Cl2}/\ce{Cl^-}\)) are examples of such electrodes. The standard emf of a cell built of those electrodes \((-)\ \ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\parallel\ce{Hg2Cl2}/\ce{Hg}\ (+)\) is \(E^0=0.0455\ \mathrm{V}\) at \(T=298\ \mathrm{K}\). The temperature coefficient for this cell is \(dE^0/dT=3.38\times10^{-4}\ \mathrm{V\,K^{-1}}\).
3.1 Give the equations of the reactions taking place at both the cell electrodes and the overall cell reaction.
3.2 Calculate the Gibbs free energy change (\(\Delta G^0\)) for the process taking place in the cell at 298 K. What does its sign imply?
3.3 Calculate the enthalpy change for the process taking place at 298 K.
\[ \Delta S=n\,F\,\Delta E/\Delta T. \]
3.4 Knowing the standard potential of \(\ce{Ag}/\ce{Ag+}\) electrode is \(E^0=0.799\ \mathrm{V}\) and the solubility product of \(\ce{AgCl}\) \(K_{sp}=1.73\times10^{-10}\), calculate the standard electrode potential value of the silver/silver chloride electrode. Derive an expression showing the dependence between \(E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+})\) and \(E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-})\).
3.5 Calculate the solubility product of \(\ce{Hg2Cl2}\) knowing that the standard potential of the calomel electrode is \(E^0=0.798\ \mathrm{V}\).
\[ F=96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}},\qquad R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad T=298\ \mathrm{K} \]
Official English text of the problem.
Answers
-
3.1 Negative electrode, oxidation: \[ \ce{2Ag(s) + 2Cl^-(aq) -> 2AgCl(s) + 2e^-}. \] Positive electrode, reduction: \[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \] Overall: \[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
-
3.2 \(\boxed{\Delta G^\circ=-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). The forward reaction is thermodynamically spontaneous under standard conditions at \(298\ \mathrm{K}\).
-
3.3 \(\boxed{\Delta H^\circ=+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). The reaction is endothermic.
-
3.4 \[ \boxed{ E^\circ_{\mathrm{AgCl}} =E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) =0.222\ \mathrm{V} }. \]
-
3.5 The printed potential is inconsistent with the preceding data. If \(0.798\ \mathrm{V}\) denotes \(E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}\), the result is \[ \boxed{K_{sp}(\ce{Hg2Cl2})=1.12\times10^{-18}}. \]
Solution
All electrode potentials below use the reduction convention. Thermodynamic changes are per mole of the overall reaction written in 3.1. Solubility products are expressed using dimensionless activities.
The species and their SMILES representations are:
| Species | SMILES |
|---|---|
| Silver, \(\ce{Ag}\) | [Ag] |
| Mercury, \(\ce{Hg}\) | [Hg] |
| Chloride ion, \(\ce{Cl^-}\) | [Cl-] |
| Silver(I) ion, \(\ce{Ag+}\) | [Ag+] |
| Mercury(I) dimer ion, \(\ce{Hg2^2+}\) | [Hg+][Hg+] |
| Silver(I) chloride, \(\ce{AgCl}\) | [Ag+].[Cl-] |
| Mercury(I) chloride (calomel), \(\ce{Hg2Cl2}\) | Cl[Hg][Hg]Cl |
These SMILES represent atoms, ions, or formula-unit connectivity, not bulk metallic or crystal structures. The calomel representation does not encode the linear geometry of its \(\ce{Cl-Hg-Hg-Cl}\) unit.
3.1 Electrode reactions and overall reaction
The negative electrode of this galvanic cell is the anode, where oxidation occurs. Silver changes from oxidation state \(0\) to \(+1\), forming insoluble silver(I) chloride:
\[ \ce{Ag(s) + Cl^-(aq) -> AgCl(s) + e^-}. \]
At the positive electrode, the cathode, mercury(I) in calomel is reduced to elemental mercury. Each formula unit contains two mercury atoms, each requiring one electron:
\[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \]
Multiplying the silver half-reaction by two and adding cancels both electrons and chloride ions:
\[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
Thus the electron-transfer number for this reaction is \(n=2\).
3.2 Gibbs free energy change
For a reversible electrochemical cell,
\[ \Delta G^\circ=-nFE^\circ_{\mathrm{cell}}. \]
Therefore,
\[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &=-2(96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}})(0.0455\ \mathrm{V})\\ &=-8780.317\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
The negative sign means that the reaction as written proceeds spontaneously in the thermodynamic sense under standard conditions at \(298\ \mathrm{K}\), and can supply electrical work.
3.3 Enthalpy change
Using the given temperature coefficient,
\[ \Delta S^\circ =nF\frac{dE^\circ_{\mathrm{cell}}}{dT}. \]
Hence,
\[ \begin{aligned} \Delta S^\circ &=2(96487)(3.38\times10^{-4})\\ &=65.2252\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
Since \(\Delta G^\circ=\Delta H^\circ-T\Delta S^\circ\),
\[ \begin{aligned} \Delta H^\circ &=\Delta G^\circ+T\Delta S^\circ\\ &=-8780.317+(298)(65.2252)\\ &=10656.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
The reaction is endothermic. Its positive entropy change makes \(T\Delta S^\circ\) sufficiently large to give a negative \(\Delta G^\circ\).
3.4 Standard silver/silver chloride electrode potential
The dissolution equilibrium is
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl^-(aq)}, \]
with
\[ K_{sp}(\ce{AgCl})=a_{\ce{Ag+}}a_{\ce{Cl^-}}. \]
For the reduction
\[ \ce{Ag+(aq) + e^- -> Ag(s)}, \]
the Nernst equation is
\[ E=E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Ag+}}. \]
Substituting \(a_{\ce{Ag+}}=K_{sp}/a_{\ce{Cl^-}}\) gives
\[ E= E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp} -\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Cl^-}}. \]
The silver/silver chloride reduction is
\[ \ce{AgCl(s) + e^- -> Ag(s) + Cl^-(aq)}. \]
Its standard potential is obtained at \(a_{\ce{Cl^-}}=1\). Thus, in the notation of the question,
\[ \boxed{ E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}) = E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+}) +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) }. \]
Numerically,
\[ \begin{aligned} E^\circ_{\mathrm{AgCl}} &=0.799+ \frac{(8.314)(298)}{96487} \ln(1.73\times10^{-10})\\ &=0.2218218\ \mathrm{V}\\ &=\boxed{0.222\ \mathrm{V}}. \end{aligned} \]
3.5 Solubility product of calomel
First, the given cell emf fixes the calomel electrode potential:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}} =E^\circ_{\mathrm{calomel}}-E^\circ_{\mathrm{AgCl}}. \]
Therefore,
\[ E^\circ_{\mathrm{calomel}} =0.0455+0.2218218 =0.2673218\ \mathrm{V}. \]
This conflicts with the \(0.798\ \mathrm{V}\) explicitly called the calomel potential in part 3.5. A consistent calculation is possible if that value instead refers to
\[ \ce{Hg2^2+(aq) + 2e^- -> 2Hg(l)}, \qquad E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}=0.798\ \mathrm{V}. \]
Under this interpretation, calomel dissolves according to
\[ \ce{Hg2Cl2(s) <=> Hg2^2+(aq) + 2Cl^-(aq)}, \]
so
\[ K_{sp}(\ce{Hg2Cl2}) =a_{\ce{Hg2^2+}}a_{\ce{Cl^-}}^2. \]
Adding this dissolution reaction to the mercury(I) reduction gives the calomel electrode reaction. The corresponding standard Gibbs energies therefore satisfy
\[ -2FE^\circ_{\mathrm{calomel}} =-RT\ln K_{sp} -2FE^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}. \]
Rearranging,
\[ \boxed{ K_{sp} = \exp\!\left[ \frac{2F}{RT} \left( E^\circ_{\mathrm{calomel}} -E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}} \right) \right] }. \]
Using the unrounded intermediate potential,
\[ \begin{aligned} K_{sp} &=\exp\!\left[ \frac{2(96487)}{(8.314)(298)} (0.2673218-0.798) \right]\\ &=\boxed{1.12\times10^{-18}}. \end{aligned} \]
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 1991 · Theorieaufgabe 3
Silber/Silberchlorid- und Kalomelelektroden
Elektroden zweiter Art bestehen aus einem Metall, das mit einem schwer löslichen Salz dieses Metalls bedeckt ist, und werden in die Lösung eines löslichen Salzes eingetaucht, die ein Anion des schwer löslichen Salzes enthält. Die Silber/Silberchlorid-Elektrode (\(\ce{Ag},\,\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\)) und die Kalomelelektrode (\(\ce{Hg},\,\ce{Hg2Cl2}/\ce{Cl^-}\)) sind Beispiele für solche Elektroden. Die Standard-EMK einer aus diesen Elektroden aufgebauten Zelle \((-)\ \ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\parallel\ce{Hg2Cl2}/\ce{Hg}\ (+)\) beträgt \(E^0=0.0455\ \mathrm{V}\) bei \(T=298\ \mathrm{K}\). Der Temperaturkoeffizient dieser Zelle beträgt \(dE^0/dT=3.38\times10^{-4}\ \mathrm{V\,K^{-1}}\).
3.1 Geben Sie die Gleichungen der Reaktionen an, die an den beiden Elektroden der Zelle ablaufen, sowie die Gesamtreaktion der Zelle.
3.2 Berechnen Sie die Änderung der Gibbs-Energie (\(\Delta G^0\)) für den in der Zelle bei 298 K ablaufenden Vorgang. Was lässt sich aus ihrem Vorzeichen schließen?
3.3 Berechnen Sie die Enthalpieänderung für den bei 298 K ablaufenden Vorgang.
\[ \Delta S=n\,F\,\Delta E/\Delta T. \]
3.4 Berechnen Sie das Standardelektrodenpotential der Silber/Silberchlorid-Elektrode, wenn das Standardpotential der \(\ce{Ag}/\ce{Ag+}\)-Elektrode \(E^0=0.799\ \mathrm{V}\) und das Löslichkeitsprodukt von \(\ce{AgCl}\) \(K_{sp}=1.73\times10^{-10}\) betragen. Leiten Sie einen Ausdruck her, der den Zusammenhang zwischen \(E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+})\) und \(E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-})\) zeigt.
3.5 Berechnen Sie das Löslichkeitsprodukt von \(\ce{Hg2Cl2}\), wenn das Standardpotential der Kalomelelektrode \(E^0=0.798\ \mathrm{V}\) beträgt.
\[ F=96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}},\qquad R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad T=298\ \mathrm{K} \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
3.1 Negative Elektrode, Oxidation: \[ \ce{2Ag(s) + 2Cl^-(aq) -> 2AgCl(s) + 2e^-}. \] Positive Elektrode, Reduktion: \[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \] Gesamtreaktion: \[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
-
3.2 \(\boxed{\Delta G^\circ=-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). Die Hinreaktion läuft unter Standardbedingungen bei \(298\ \mathrm{K}\) thermodynamisch spontan ab.
-
3.3 \(\boxed{\Delta H^\circ=+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). Die Reaktion ist endotherm.
-
3.4 \[ \boxed{ E^\circ_{\mathrm{AgCl}} =E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) =0.222\ \mathrm{V} }. \]
-
3.5 Das abgedruckte Potential steht im Widerspruch zu den vorhergehenden Angaben. Falls \(0.798\ \mathrm{V}\) für \(E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}\) steht, ergibt sich \[ \boxed{K_{sp}(\ce{Hg2Cl2})=1.12\times10^{-18}}. \]
Lösung
Alle nachstehend angegebenen Elektrodenpotentiale sind gemäß der Reduktionskonvention definiert. Die thermodynamischen Änderungen beziehen sich auf ein Mol der in 3.1 angegebenen Gesamtreaktion. Löslichkeitsprodukte werden mithilfe dimensionsloser Aktivitäten ausgedrückt.
Die Spezies und ihre SMILES-Darstellungen sind:
| Spezies | SMILES |
|---|---|
| Silber, \(\ce{Ag}\) | [Ag] |
| Quecksilber, \(\ce{Hg}\) | [Hg] |
| Chlorid-Ion, \(\ce{Cl^-}\) | [Cl-] |
| Silber(I)-Ion, \(\ce{Ag+}\) | [Ag+] |
| Dimeres Quecksilber(I)-Ion, \(\ce{Hg2^2+}\) | [Hg+][Hg+] |
| Silber(I)-chlorid, \(\ce{AgCl}\) | [Ag+].[Cl-] |
| Quecksilber(I)-chlorid (Kalomel), \(\ce{Hg2Cl2}\) | Cl[Hg][Hg]Cl |
Diese SMILES stellen Atome, Ionen oder die Verknüpfung innerhalb von Formeleinheiten dar, keine ausgedehnten Metall- oder Kristallstrukturen. Die Kalomel-Darstellung kodiert nicht die lineare Geometrie seiner \(\ce{Cl-Hg-Hg-Cl}\)-Einheit.
3.1 Elektrodenreaktionen und Gesamtreaktion
Die negative Elektrode dieser galvanischen Zelle ist die Anode, an der die Oxidation stattfindet. Silber geht von der Oxidationsstufe \(0\) in die Oxidationsstufe \(+1\) über, wobei unlösliches Silber(I)-chlorid entsteht:
\[ \ce{Ag(s) + Cl^-(aq) -> AgCl(s) + e^-}. \]
An der positiven Elektrode, der Kathode, wird Quecksilber(I) im Kalomel zu elementarem Quecksilber reduziert. Jede Formeleinheit enthält zwei Quecksilberatome, die jeweils ein Elektron benötigen:
\[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \]
Durch Multiplikation der Silber-Halbreaktion mit zwei und Addition der beiden Halbreaktionen kürzen sich sowohl die Elektronen als auch die Chlorid-Ionen heraus:
\[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
Damit beträgt die Elektronenübertragungszahl dieser Reaktion \(n=2\).
3.2 Änderung der Gibbs-Energie
Für eine reversible elektrochemische Zelle gilt
\[ \Delta G^\circ=-nFE^\circ_{\mathrm{cell}}. \]
Daher gilt
\[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &=-2(96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}})(0.0455\ \mathrm{V})\\ &=-8780.317\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
Das negative Vorzeichen bedeutet, dass die Reaktion in der angegebenen Richtung unter Standardbedingungen bei \(298\ \mathrm{K}\) im thermodynamischen Sinne spontan abläuft und elektrische Arbeit leisten kann.
3.3 Enthalpieänderung
Mit dem angegebenen Temperaturkoeffizienten gilt
\[ \Delta S^\circ =nF\frac{dE^\circ_{\mathrm{cell}}}{dT}. \]
Somit ergibt sich
\[ \begin{aligned} \Delta S^\circ &=2(96487)(3.38\times10^{-4})\\ &=65.2252\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
Da \(\Delta G^\circ=\Delta H^\circ-T\Delta S^\circ\) gilt, folgt
\[ \begin{aligned} \Delta H^\circ &=\Delta G^\circ+T\Delta S^\circ\\ &=-8780.317+(298)(65.2252)\\ &=10656.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
Die Reaktion ist endotherm. Aufgrund ihrer positiven Entropieänderung ist \(T\Delta S^\circ\) hinreichend groß, sodass sich ein negatives \(\Delta G^\circ\) ergibt.
3.4 Standardpotential der Silber/Silberchlorid-Elektrode
Das Lösungsgleichgewicht lautet
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl^-(aq)}, \]
mit
\[ K_{sp}(\ce{AgCl})=a_{\ce{Ag+}}a_{\ce{Cl^-}}. \]
Für die Reduktion
\[ \ce{Ag+(aq) + e^- -> Ag(s)}, \]
lautet die Nernst-Gleichung
\[ E=E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Ag+}}. \]
Einsetzen von \(a_{\ce{Ag+}}=K_{sp}/a_{\ce{Cl^-}}\) ergibt
\[ E= E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp} -\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Cl^-}}. \]
Die Reduktion an der Silber/Silberchlorid-Elektrode lautet
\[ \ce{AgCl(s) + e^- -> Ag(s) + Cl^-(aq)}. \]
Ihr Standardpotential erhält man bei \(a_{\ce{Cl^-}}=1\). Somit gilt in der Notation der Aufgabenstellung
\[ \boxed{ E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}) = E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+}) +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) }. \]
Numerisch ergibt sich
\[ \begin{aligned} E^\circ_{\mathrm{AgCl}} &=0.799+ \frac{(8.314)(298)}{96487} \ln(1.73\times10^{-10})\\ &=0.2218218\ \mathrm{V}\\ &=\boxed{0.222\ \mathrm{V}}. \end{aligned} \]
3.5 Löslichkeitsprodukt von Kalomel
Zunächst legt die angegebene EMK der Zelle das Potential der Kalomelelektrode fest:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}} =E^\circ_{\mathrm{calomel}}-E^\circ_{\mathrm{AgCl}}. \]
Daher gilt
\[ E^\circ_{\mathrm{calomel}} =0.0455+0.2218218 =0.2673218\ \mathrm{V}. \]
Dies steht im Widerspruch zu dem Wert von \(0.798\ \mathrm{V}\), der in Teil 3.5 ausdrücklich als Kalomelpotential bezeichnet wird. Eine widerspruchsfreie Berechnung ist möglich, wenn dieser Wert stattdessen für folgende Reduktion gilt:
\[ \ce{Hg2^2+(aq) + 2e^- -> 2Hg(l)}, \qquad E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}=0.798\ \mathrm{V}. \]
Bei dieser Interpretation löst sich Kalomel gemäß
\[ \ce{Hg2Cl2(s) <=> Hg2^2+(aq) + 2Cl^-(aq)}, \]
sodass gilt
\[ K_{sp}(\ce{Hg2Cl2}) =a_{\ce{Hg2^2+}}a_{\ce{Cl^-}}^2. \]
Die Addition dieser Auflösungsreaktion zur Reduktion von Quecksilber(I) ergibt die Reaktion der Kalomelelektrode. Für die entsprechenden Standard-Gibbs-Energien gilt daher
\[ -2FE^\circ_{\mathrm{calomel}} =-RT\ln K_{sp} -2FE^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}. \]
Umstellen ergibt
\[ \boxed{ K_{sp} = \exp\!\left[ \frac{2F}{RT} \left( E^\circ_{\mathrm{calomel}} -E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}} \right) \right] }. \]
Mit dem ungerundeten Zwischenwert des Potentials ergibt sich
\[ \begin{aligned} K_{sp} &=\exp\!\left[ \frac{2(96487)}{(8.314)(298)} (0.2673218-0.798) \right]\\ &=\boxed{1.12\times10^{-18}}. \end{aligned} \]
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 1991 · Teori sorusu 3
Gümüş/gümüş klorür ve kalomel elektrotları
Bir metalin, o metalin az çözünen bir tuzuyla kaplanmasıyla oluşturulan II. tür elektrotlar, az çözünen tuzun anyonunu içeren, çözünür bir tuzun çözeltisine daldırılır. Gümüş/gümüş klorür (\(\ce{Ag},\,\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\)) ve kalomel elektrodu (\(\ce{Hg},\,\ce{Hg2Cl2}/\ce{Cl^-}\)) bu tür elektrotlara örnektir. Bu elektrotlardan oluşturulan \((-)\ \ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\parallel\ce{Hg2Cl2}/\ce{Hg}\ (+)\) pilinin standart elektromotor kuvveti, \(T=298\ \mathrm{K}\) sıcaklıkta \(E^0=0.0455\ \mathrm{V}\) değerindedir. Bu pilin sıcaklık katsayısı \(dE^0/dT=3.38\times10^{-4}\ \mathrm{V\,K^{-1}}\) değerindedir.
3.1 Pilin her iki elektrodunda gerçekleşen tepkimelerin ve toplam pil tepkimesinin denklemlerini yazınız.
3.2 Pilde 298 K sıcaklıkta gerçekleşen sürecin Gibbs serbest enerji değişimini (\(\Delta G^0\)) hesaplayınız. İşareti ne anlama gelir?
3.3 298 K sıcaklıkta gerçekleşen sürecin entalpi değişimini hesaplayınız.
\[ \Delta S=n\,F\,\Delta E/\Delta T. \]
3.4 \(\ce{Ag}/\ce{Ag+}\) elektrodunun standart potansiyelinin \(E^0=0.799\ \mathrm{V}\) ve \(\ce{AgCl}\) bileşiğinin çözünürlük çarpımının \(K_{sp}=1.73\times10^{-10}\) olduğunu bilerek gümüş/gümüş klorür elektrodunun standart elektrot potansiyelini hesaplayınız. \(E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+})\) ile \(E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-})\) arasındaki bağıntıyı gösteren bir ifade türetiniz.
3.5 Kalomel elektrodunun standart potansiyelinin \(E^0=0.798\ \mathrm{V}\) olduğunu bilerek \(\ce{Hg2Cl2}\) bileşiğinin çözünürlük çarpımını hesaplayınız.
\[ F=96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}},\qquad R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad T=298\ \mathrm{K} \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
3.1 Negatif elektrot, yükseltgenme: \[ \ce{2Ag(s) + 2Cl^-(aq) -> 2AgCl(s) + 2e^-}. \] Pozitif elektrot, indirgenme: \[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \] Toplam: \[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
-
3.2 \(\boxed{\Delta G^\circ=-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). İleri yöndeki tepkime, \(298\ \mathrm{K}\) sıcaklıkta standart koşullar altında termodinamik açıdan kendiliğinden gerçekleşir.
-
3.3 \(\boxed{\Delta H^\circ=+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). Tepkime endotermiktir.
-
3.4 \[ \boxed{ E^\circ_{\mathrm{AgCl}} =E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) =0.222\ \mathrm{V} }. \]
-
3.5 Basılı metinde verilen potansiyel, önceki verilerle tutarsızdır. Eğer \(0.798\ \mathrm{V}\) değeri \(E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}\) potansiyelini ifade ediyorsa, sonuç \[ \boxed{K_{sp}(\ce{Hg2Cl2})=1.12\times10^{-18}}. \]
Çözüm
Aşağıdaki tüm elektrot potansiyellerinde indirgenme potansiyeli gösterimi kullanılmıştır. Termodinamik değişimler, 3.1'de yazılan toplam tepkimenin bir molü başınadır. Çözünürlük çarpımları boyutsuz aktiviteler kullanılarak ifade edilmiştir.
Türler ve bunların SMILES gösterimleri şöyledir:
| Tür | SMILES |
|---|---|
| Gümüş, \(\ce{Ag}\) | [Ag] |
| Cıva, \(\ce{Hg}\) | [Hg] |
| Klorür iyonu, \(\ce{Cl^-}\) | [Cl-] |
| Gümüş(I) iyonu, \(\ce{Ag+}\) | [Ag+] |
| Cıva(I) dimer iyonu, \(\ce{Hg2^2+}\) | [Hg+][Hg+] |
| Gümüş(I) klorür, \(\ce{AgCl}\) | [Ag+].[Cl-] |
| Cıva(I) klorür (kalomel), \(\ce{Hg2Cl2}\) | Cl[Hg][Hg]Cl |
Bu SMILES gösterimleri, makroskopik metalik yapıları veya kristal yapıları değil; atomları, iyonları ya da formül birimlerindeki bağlanma düzenini temsil eder. Kalomel gösterimi, \(\ce{Cl-Hg-Hg-Cl}\) biriminin doğrusal geometrisini kodlamaz.
3.1 Elektrot tepkimeleri ve toplam tepkime
Bu galvanik pilin negatif elektrodu, yükseltgenmenin gerçekleştiği anottur. Gümüşün yükseltgenme basamağı \(0\)'dan \(+1\)'e değişir ve çözünmeyen gümüş(I) klorür oluşur:
\[ \ce{Ag(s) + Cl^-(aq) -> AgCl(s) + e^-}. \]
Pozitif elektrot olan katotta, kalomeldeki cıva(I) elementel cıvaya indirgenir. Her formül birimi, her biri bir elektron gerektiren iki cıva atomu içerir:
\[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \]
Gümüş yarı tepkimesi ikiyle çarpılıp diğer yarı tepkimeyle toplandığında hem elektronlar hem de klorür iyonları sadeleşir:
\[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
Dolayısıyla bu tepkimede aktarılan elektron sayısı \(n=2\)'dir.
3.2 Gibbs serbest enerji değişimi
Tersinir bir elektrokimyasal pil için,
\[ \Delta G^\circ=-nFE^\circ_{\mathrm{cell}}. \]
Buna göre,
\[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &=-2(96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}})(0.0455\ \mathrm{V})\\ &=-8780.317\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
Negatif işaret, tepkimenin yazıldığı yönde, \(298\ \mathrm{K}\) sıcaklıkta standart koşullar altında termodinamik anlamda kendiliğinden ilerlediğini ve elektriksel iş sağlayabildiğini gösterir.
3.3 Entalpi değişimi
Verilen sıcaklık katsayısı kullanıldığında,
\[ \Delta S^\circ =nF\frac{dE^\circ_{\mathrm{cell}}}{dT}. \]
Böylece,
\[ \begin{aligned} \Delta S^\circ &=2(96487)(3.38\times10^{-4})\\ &=65.2252\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
\(\Delta G^\circ=\Delta H^\circ-T\Delta S^\circ\) olduğundan,
\[ \begin{aligned} \Delta H^\circ &=\Delta G^\circ+T\Delta S^\circ\\ &=-8780.317+(298)(65.2252)\\ &=10656.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
Tepkime endotermiktir. Pozitif entropi değişimi, \(T\Delta S^\circ\) terimini, \(\Delta G^\circ\) değerinin negatif olmasını sağlayacak kadar büyük kılar.
3.4 Gümüş/gümüş klorür elektrodunun standart potansiyeli
Çözünme dengesi şöyledir:
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl^-(aq)}, \]
ve çözünürlük çarpımı
\[ K_{sp}(\ce{AgCl})=a_{\ce{Ag+}}a_{\ce{Cl^-}}. \]
Aşağıdaki indirgenme için
\[ \ce{Ag+(aq) + e^- -> Ag(s)}, \]
Nernst denklemi şöyledir:
\[ E=E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Ag+}}. \]
\(a_{\ce{Ag+}}=K_{sp}/a_{\ce{Cl^-}}\) yerine konulduğunda
\[ E= E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp} -\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Cl^-}}. \]
Gümüş/gümüş klorür indirgenmesi şöyledir:
\[ \ce{AgCl(s) + e^- -> Ag(s) + Cl^-(aq)}. \]
Standart potansiyeli, \(a_{\ce{Cl^-}}=1\) olduğunda elde edilir. Dolayısıyla, sorudaki gösterimle,
\[ \boxed{ E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}) = E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+}) +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) }. \]
Sayısal olarak,
\[ \begin{aligned} E^\circ_{\mathrm{AgCl}} &=0.799+ \frac{(8.314)(298)}{96487} \ln(1.73\times10^{-10})\\ &=0.2218218\ \mathrm{V}\\ &=\boxed{0.222\ \mathrm{V}}. \end{aligned} \]
3.5 Kalomelin çözünürlük çarpımı
Öncelikle, verilen pil elektromotor kuvveti kalomel elektrodunun potansiyelini belirler:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}} =E^\circ_{\mathrm{calomel}}-E^\circ_{\mathrm{AgCl}}. \]
Buna göre,
\[ E^\circ_{\mathrm{calomel}} =0.0455+0.2218218 =0.2673218\ \mathrm{V}. \]
Bu değer, 3.5 bölümünde açıkça kalomel potansiyeli olarak belirtilen \(0.798\ \mathrm{V}\) ile çelişir. Bu değer aşağıdaki indirgenme tepkimesinin potansiyelini ifade ediyorsa tutarlı bir hesaplama yapılabilir:
\[ \ce{Hg2^2+(aq) + 2e^- -> 2Hg(l)}, \qquad E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}=0.798\ \mathrm{V}. \]
Bu yorum altında kalomel aşağıdaki denkleme göre çözünür:
\[ \ce{Hg2Cl2(s) <=> Hg2^2+(aq) + 2Cl^-(aq)}, \]
dolayısıyla
\[ K_{sp}(\ce{Hg2Cl2}) =a_{\ce{Hg2^2+}}a_{\ce{Cl^-}}^2. \]
Bu çözünme tepkimesi cıva(I) indirgenmesine eklendiğinde kalomel elektrot tepkimesi elde edilir. Bu nedenle karşılık gelen standart Gibbs enerjileri aşağıdaki bağıntıyı sağlar:
\[ -2FE^\circ_{\mathrm{calomel}} =-RT\ln K_{sp} -2FE^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}. \]
Yeniden düzenlendiğinde,
\[ \boxed{ K_{sp} = \exp\!\left[ \frac{2F}{RT} \left( E^\circ_{\mathrm{calomel}} -E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}} \right) \right] }. \]
Ara hesaplamada elde edilen yuvarlanmamış potansiyel kullanıldığında,
\[ \begin{aligned} K_{sp} &=\exp\!\left[ \frac{2(96487)}{(8.314)(298)} (0.2673218-0.798) \right]\\ &=\boxed{1.12\times10^{-18}}. \end{aligned} \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IChO 1991 · Problema teórico 3
Electrodos de plata/cloruro de plata y de calomelanos
Los electrodos de tipo II, constituidos por un metal recubierto de una sal poco soluble de dicho metal, se sumergen en una disolución de una sal soluble que contiene un anión de la sal poco soluble. El electrodo de plata/cloruro de plata (\(\ce{Ag},\,\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\)) y el electrodo de calomelanos (\(\ce{Hg},\,\ce{Hg2Cl2}/\ce{Cl^-}\)) son ejemplos de estos electrodos. La fuerza electromotriz estándar de una pila formada por estos electrodos \((-)\ \ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\parallel\ce{Hg2Cl2}/\ce{Hg}\ (+)\) es \(E^0=0.0455\ \mathrm{V}\) a \(T=298\ \mathrm{K}\). El coeficiente de temperatura de esta pila es \(dE^0/dT=3.38\times10^{-4}\ \mathrm{V\,K^{-1}}\).
3.1 Escriba las ecuaciones de las reacciones que tienen lugar en ambos electrodos de la pila y la reacción global de la pila.
3.2 Calcule la variación de la energía libre de Gibbs (\(\Delta G^0\)) del proceso que tiene lugar en la pila a 298 K. ¿Qué implica su signo?
3.3 Calcule la variación de entalpía del proceso que tiene lugar a 298 K.
\[ \Delta S=n\,F\,\Delta E/\Delta T. \]
3.4 Sabiendo que el potencial estándar del electrodo de \(\ce{Ag}/\ce{Ag+}\) es \(E^0=0.799\ \mathrm{V}\) y que el producto de solubilidad del \(\ce{AgCl}\) es \(K_{sp}=1.73\times10^{-10}\), calcule el valor del potencial estándar del electrodo de plata/cloruro de plata. Deduzca una expresión que muestre la relación entre \(E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+})\) y \(E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-})\).
3.5 Calcule el producto de solubilidad del \(\ce{Hg2Cl2}\) sabiendo que el potencial estándar del electrodo de calomelanos es \(E^0=0.798\ \mathrm{V}\).
\[ F=96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}},\qquad R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad T=298\ \mathrm{K} \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
3.1 Electrodo negativo, oxidación: \[ \ce{2Ag(s) + 2Cl^-(aq) -> 2AgCl(s) + 2e^-}. \] Electrodo positivo, reducción: \[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \] Reacción global: \[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
-
3.2 \(\boxed{\Delta G^\circ=-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). La reacción directa es termodinámicamente espontánea en condiciones estándar a \(298\ \mathrm{K}\).
-
3.3 \(\boxed{\Delta H^\circ=+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). La reacción es endotérmica.
-
3.4 \[ \boxed{ E^\circ_{\mathrm{AgCl}} =E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) =0.222\ \mathrm{V} }. \]
-
3.5 El potencial impreso es incompatible con los datos anteriores. Si \(0.798\ \mathrm{V}\) representa \(E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}\), el resultado es \[ \boxed{K_{sp}(\ce{Hg2Cl2})=1.12\times10^{-18}}. \]
Solución
Todos los potenciales de electrodo que se indican a continuación utilizan la convención de reducción. Las variaciones termodinámicas se expresan por mol de la reacción global escrita en 3.1. Los productos de solubilidad se expresan mediante actividades adimensionales.
Las especies y sus representaciones SMILES son:
| Especie | SMILES |
|---|---|
| Plata, \(\ce{Ag}\) | [Ag] |
| Mercurio, \(\ce{Hg}\) | [Hg] |
| Ion cloruro, \(\ce{Cl^-}\) | [Cl-] |
| Ion plata(I), \(\ce{Ag+}\) | [Ag+] |
| Ion dimérico de mercurio(I), \(\ce{Hg2^2+}\) | [Hg+][Hg+] |
| Cloruro de plata(I), \(\ce{AgCl}\) | [Ag+].[Cl-] |
| Cloruro de mercurio(I) (calomelanos), \(\ce{Hg2Cl2}\) | Cl[Hg][Hg]Cl |
Estas representaciones SMILES describen átomos, iones o la conectividad de una unidad fórmula, no estructuras metálicas o cristalinas macroscópicas. La representación de los calomelanos no codifica la geometría lineal de su unidad \(\ce{Cl-Hg-Hg-Cl}\).
3.1 Reacciones de los electrodos y reacción global
El electrodo negativo de esta pila galvánica es el ánodo, donde tiene lugar la oxidación. La plata pasa del estado de oxidación \(0\) al \(+1\), formando cloruro de plata(I) insoluble:
\[ \ce{Ag(s) + Cl^-(aq) -> AgCl(s) + e^-}. \]
En el electrodo positivo, el cátodo, el mercurio(I) de los calomelanos se reduce a mercurio elemental. Cada unidad fórmula contiene dos átomos de mercurio, cada uno de los cuales requiere un electrón:
\[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \]
Al multiplicar la semirreacción de la plata por dos y sumar, se cancelan tanto los electrones como los iones cloruro:
\[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
Por tanto, el número de electrones transferidos en esta reacción es \(n=2\).
3.2 Variación de la energía libre de Gibbs
Para una pila electroquímica reversible,
\[ \Delta G^\circ=-nFE^\circ_{\mathrm{cell}}. \]
Por tanto,
\[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &=-2(96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}})(0.0455\ \mathrm{V})\\ &=-8780.317\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
El signo negativo significa que la reacción, tal como está escrita, transcurre espontáneamente en sentido termodinámico en condiciones estándar a \(298\ \mathrm{K}\), y puede suministrar trabajo eléctrico.
3.3 Variación de entalpía
Utilizando el coeficiente de temperatura dado,
\[ \Delta S^\circ =nF\frac{dE^\circ_{\mathrm{cell}}}{dT}. \]
Así,
\[ \begin{aligned} \Delta S^\circ &=2(96487)(3.38\times10^{-4})\\ &=65.2252\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
Como \(\Delta G^\circ=\Delta H^\circ-T\Delta S^\circ\),
\[ \begin{aligned} \Delta H^\circ &=\Delta G^\circ+T\Delta S^\circ\\ &=-8780.317+(298)(65.2252)\\ &=10656.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
La reacción es endotérmica. Su variación positiva de entropía hace que \(T\Delta S^\circ\) sea lo suficientemente grande para que \(\Delta G^\circ\) sea negativa.
3.4 Potencial estándar del electrodo de plata/cloruro de plata
El equilibrio de disolución es
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl^-(aq)}, \]
con
\[ K_{sp}(\ce{AgCl})=a_{\ce{Ag+}}a_{\ce{Cl^-}}. \]
Para la reducción
\[ \ce{Ag+(aq) + e^- -> Ag(s)}, \]
la ecuación de Nernst es
\[ E=E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Ag+}}. \]
Al sustituir \(a_{\ce{Ag+}}=K_{sp}/a_{\ce{Cl^-}}\), se obtiene
\[ E= E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp} -\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Cl^-}}. \]
La reducción del electrodo de plata/cloruro de plata es
\[ \ce{AgCl(s) + e^- -> Ag(s) + Cl^-(aq)}. \]
Su potencial estándar se obtiene cuando \(a_{\ce{Cl^-}}=1\). Por tanto, con la notación del enunciado,
\[ \boxed{ E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}) = E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+}) +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) }. \]
Numéricamente,
\[ \begin{aligned} E^\circ_{\mathrm{AgCl}} &=0.799+ \frac{(8.314)(298)}{96487} \ln(1.73\times10^{-10})\\ &=0.2218218\ \mathrm{V}\\ &=\boxed{0.222\ \mathrm{V}}. \end{aligned} \]
3.5 Producto de solubilidad de los calomelanos
En primer lugar, la fuerza electromotriz dada de la pila determina el potencial del electrodo de calomelanos:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}} =E^\circ_{\mathrm{calomel}}-E^\circ_{\mathrm{AgCl}}. \]
Por tanto,
\[ E^\circ_{\mathrm{calomel}} =0.0455+0.2218218 =0.2673218\ \mathrm{V}. \]
Esto contradice el valor de \(0.798\ \mathrm{V}\) que se denomina explícitamente potencial del electrodo de calomelanos en el apartado 3.5. Es posible realizar un cálculo coherente si ese valor se refiere, en cambio, a
\[ \ce{Hg2^2+(aq) + 2e^- -> 2Hg(l)}, \qquad E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}=0.798\ \mathrm{V}. \]
Según esta interpretación, los calomelanos se disuelven de acuerdo con
\[ \ce{Hg2Cl2(s) <=> Hg2^2+(aq) + 2Cl^-(aq)}, \]
de modo que
\[ K_{sp}(\ce{Hg2Cl2}) =a_{\ce{Hg2^2+}}a_{\ce{Cl^-}}^2. \]
Al sumar esta reacción de disolución a la reducción del mercurio(I), se obtiene la reacción del electrodo de calomelanos. Por tanto, las energías de Gibbs estándar correspondientes satisfacen
\[ -2FE^\circ_{\mathrm{calomel}} =-RT\ln K_{sp} -2FE^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}. \]
Reordenando,
\[ \boxed{ K_{sp} = \exp\!\left[ \frac{2F}{RT} \left( E^\circ_{\mathrm{calomel}} -E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}} \right) \right] }. \]
Utilizando el potencial intermedio sin redondear,
\[ \begin{aligned} K_{sp} &=\exp\!\left[ \frac{2(96487)}{(8.314)(298)} (0.2673218-0.798) \right]\\ &=\boxed{1.12\times10^{-18}}. \end{aligned} \]
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 1991 · 理论题 3
银/氯化银电极和甘汞电极
第二类电极由表面覆盖有该金属难溶盐的金属构成,浸入含有该难溶盐阴离子的可溶性盐溶液中。银/氯化银电极(\(\ce{Ag},\,\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\))和甘汞电极(\(\ce{Hg},\,\ce{Hg2Cl2}/\ce{Cl^-}\))就是这类电极的例子。由这两种电极组成的电池 \((-)\ \ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\parallel\ce{Hg2Cl2}/\ce{Hg}\ (+)\) 在 \(T=298\ \mathrm{K}\) 时的标准电动势为 \(E^0=0.0455\ \mathrm{V}\)。该电池的温度系数为 \(dE^0/dT=3.38\times10^{-4}\ \mathrm{V\,K^{-1}}\)。
3.1 写出电池两极上发生的反应以及电池总反应的方程式。
3.2 计算该电池在 298 K 时所发生过程的吉布斯自由能变(\(\Delta G^0\))。其符号意味着什么?
3.3 计算该过程在 298 K 时的焓变。
\[ \Delta S=n\,F\,\Delta E/\Delta T. \]
3.4 已知 \(\ce{Ag}/\ce{Ag+}\) 电极的标准电势为 \(E^0=0.799\ \mathrm{V}\),\(\ce{AgCl}\) 的溶度积为 \(K_{sp}=1.73\times10^{-10}\),计算银/氯化银电极的标准电极电势。推导表示 \(E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+})\) 与 \(E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-})\) 之间关系的表达式。
3.5 已知甘汞电极的标准电势为 \(E^0=0.798\ \mathrm{V}\),计算 \(\ce{Hg2Cl2}\) 的溶度积。
\[ F=96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}},\qquad R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad T=298\ \mathrm{K} \]
题目译自官方英文原文。
答案
-
3.1 负极,氧化反应: \[ \ce{2Ag(s) + 2Cl^-(aq) -> 2AgCl(s) + 2e^-}. \] 正极,还原反应: \[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \] 总反应: \[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
-
3.2 \(\boxed{\Delta G^\circ=-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\)。在 \(298\ \mathrm{K}\) 的标准条件下,正向反应在热力学上是自发的。
-
3.3 \(\boxed{\Delta H^\circ=+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\)。该反应为吸热反应。
-
3.4 \[ \boxed{ E^\circ_{\mathrm{AgCl}} =E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) =0.222\ \mathrm{V} }. \]
-
3.5 题目印出的电势与前面的数据不一致。若 \(0.798\ \mathrm{V}\) 表示 \(E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}\),则结果为 \[ \boxed{K_{sp}(\ce{Hg2Cl2})=1.12\times10^{-18}}. \]
解答
以下所有电极电势均采用还原电势的约定。热力学变化量均以 3.1 中所写总反应进行一摩尔为基准。溶度积用无量纲活度表示。
各物种及其 SMILES 表示如下:
| 物种 | SMILES |
|---|---|
| 银,\(\ce{Ag}\) | [Ag] |
| 汞,\(\ce{Hg}\) | [Hg] |
| 氯离子,\(\ce{Cl^-}\) | [Cl-] |
| 银(I)离子,\(\ce{Ag+}\) | [Ag+] |
| 汞(I)二聚离子,\(\ce{Hg2^2+}\) | [Hg+][Hg+] |
| 氯化银,\(\ce{AgCl}\) | [Ag+].[Cl-] |
| 氯化亚汞(甘汞),\(\ce{Hg2Cl2}\) | Cl[Hg][Hg]Cl |
这些 SMILES 表示原子、离子或化学式单元的连接关系,而非宏观金属或晶体结构。甘汞的表示未编码其 \(\ce{Cl-Hg-Hg-Cl}\) 单元的直线形几何构型。
3.1 电极反应和总反应
该原电池的负极是阳极,在此发生氧化反应。银的氧化态由 \(0\) 变为 \(+1\),生成难溶的氯化银:
\[ \ce{Ag(s) + Cl^-(aq) -> AgCl(s) + e^-}. \]
在正极,即阴极,甘汞中的汞(I)被还原为单质汞。每个化学式单元含有两个汞原子,每个汞原子均需得到一个电子:
\[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \]
将银的半反应乘以二,再将两个半反应相加,电子和氯离子均被消去:
\[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
因此,该反应的电子转移数为 \(n=2\)。
3.2 吉布斯自由能变
对于可逆电化学电池,
\[ \Delta G^\circ=-nFE^\circ_{\mathrm{cell}}. \]
因此,
\[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &=-2(96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}})(0.0455\ \mathrm{V})\\ &=-8780.317\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
负号表示在 \(298\ \mathrm{K}\) 的标准条件下,所写方向的反应在热力学意义上自发进行,并能对外做电功。
3.3 焓变
利用给定的温度系数,
\[ \Delta S^\circ =nF\frac{dE^\circ_{\mathrm{cell}}}{dT}. \]
于是,
\[ \begin{aligned} \Delta S^\circ &=2(96487)(3.38\times10^{-4})\\ &=65.2252\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
由于 \(\Delta G^\circ=\Delta H^\circ-T\Delta S^\circ\),
\[ \begin{aligned} \Delta H^\circ &=\Delta G^\circ+T\Delta S^\circ\\ &=-8780.317+(298)(65.2252)\\ &=10656.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
该反应为吸热反应。其熵变为正,使 \(T\Delta S^\circ\) 足够大,从而使 \(\Delta G^\circ\) 为负。
3.4 银/氯化银电极的标准电极电势
溶解平衡为
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl^-(aq)}, \]
其溶度积为
\[ K_{sp}(\ce{AgCl})=a_{\ce{Ag+}}a_{\ce{Cl^-}}. \]
对于还原反应
\[ \ce{Ag+(aq) + e^- -> Ag(s)}, \]
能斯特方程为
\[ E=E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Ag+}}. \]
代入 \(a_{\ce{Ag+}}=K_{sp}/a_{\ce{Cl^-}}\),得
\[ E= E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp} -\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Cl^-}}. \]
银/氯化银电极的还原反应为
\[ \ce{AgCl(s) + e^- -> Ag(s) + Cl^-(aq)}. \]
其标准电势由 \(a_{\ce{Cl^-}}=1\) 时的电势得到。因此,采用题目中的记号,
\[ \boxed{ E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}) = E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+}) +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) }. \]
代入数值,
\[ \begin{aligned} E^\circ_{\mathrm{AgCl}} &=0.799+ \frac{(8.314)(298)}{96487} \ln(1.73\times10^{-10})\\ &=0.2218218\ \mathrm{V}\\ &=\boxed{0.222\ \mathrm{V}}. \end{aligned} \]
3.5 甘汞的溶度积
首先,由给定的电池电动势可确定甘汞电极的电势:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}} =E^\circ_{\mathrm{calomel}}-E^\circ_{\mathrm{AgCl}}. \]
因此,
\[ E^\circ_{\mathrm{calomel}} =0.0455+0.2218218 =0.2673218\ \mathrm{V}. \]
这与 3.5 中明确称为甘汞电势的 \(0.798\ \mathrm{V}\) 相矛盾。如果该数值实际对应的是下列反应,则可以进行自洽的计算:
\[ \ce{Hg2^2+(aq) + 2e^- -> 2Hg(l)}, \qquad E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}=0.798\ \mathrm{V}. \]
按照这一解释,甘汞按下式溶解:
\[ \ce{Hg2Cl2(s) <=> Hg2^2+(aq) + 2Cl^-(aq)}, \]
因此
\[ K_{sp}(\ce{Hg2Cl2}) =a_{\ce{Hg2^2+}}a_{\ce{Cl^-}}^2. \]
将该溶解反应与汞(I)的还原反应相加,即得到甘汞电极反应。因此,相应的标准吉布斯自由能满足
\[ -2FE^\circ_{\mathrm{calomel}} =-RT\ln K_{sp} -2FE^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}. \]
整理得,
\[ \boxed{ K_{sp} = \exp\!\left[ \frac{2F}{RT} \left( E^\circ_{\mathrm{calomel}} -E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}} \right) \right] }. \]
使用未舍入的中间电势值,
\[ \begin{aligned} K_{sp} &=\exp\!\left[ \frac{2(96487)}{(8.314)(298)} (0.2673218-0.798) \right]\\ &=\boxed{1.12\times10^{-18}}. \end{aligned} \]
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 1991 · Теоретическая задача 3
Хлорсеребряный и каломельный электроды
Электроды второго рода, состоящие из металла, покрытого малорастворимой солью этого металла, погружают в раствор растворимой соли, содержащий анион малорастворимой соли. Примерами таких электродов являются хлорсеребряный (\(\ce{Ag},\,\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\)) и каломельный (\(\ce{Hg},\,\ce{Hg2Cl2}/\ce{Cl^-}\)) электроды. Стандартная ЭДС гальванического элемента, составленного из этих электродов, \((-)\ \ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\parallel\ce{Hg2Cl2}/\ce{Hg}\ (+)\), равна \(E^0=0.0455\ \mathrm{V}\) при \(T=298\ \mathrm{K}\). Температурный коэффициент ЭДС этого элемента составляет \(dE^0/dT=3.38\times10^{-4}\ \mathrm{V\,K^{-1}}\).
3.1 Запишите уравнения реакций, протекающих на обоих электродах элемента, и суммарной реакции в элементе.
3.2 Рассчитайте изменение энергии Гиббса (\(\Delta G^0\)) для процесса, протекающего в элементе при 298 K. Что означает знак этой величины?
3.3 Рассчитайте изменение энтальпии для процесса, протекающего при 298 K.
\[ \Delta S=n\,F\,\Delta E/\Delta T. \]
3.4 Зная, что стандартный потенциал электрода \(\ce{Ag}/\ce{Ag+}\) равен \(E^0=0.799\ \mathrm{V}\), а произведение растворимости \(\ce{AgCl}\) составляет \(K_{sp}=1.73\times10^{-10}\), рассчитайте стандартный электродный потенциал хлорсеребряного электрода. Выведите выражение, связывающее \(E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+})\) и \(E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-})\).
3.5 Рассчитайте произведение растворимости \(\ce{Hg2Cl2}\), зная, что стандартный потенциал каломельного электрода равен \(E^0=0.798\ \mathrm{V}\).
\[ F=96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}},\qquad R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad T=298\ \mathrm{K} \]
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
3.1 Отрицательный электрод, окисление: \[ \ce{2Ag(s) + 2Cl^-(aq) -> 2AgCl(s) + 2e^-}. \] Положительный электрод, восстановление: \[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \] Суммарная реакция: \[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
-
3.2 \(\boxed{\Delta G^\circ=-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). Прямая реакция термодинамически самопроизвольна в стандартных условиях при \(298\ \mathrm{K}\).
-
3.3 \(\boxed{\Delta H^\circ=+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). Реакция эндотермическая.
-
3.4 \[ \boxed{ E^\circ_{\mathrm{AgCl}} =E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) =0.222\ \mathrm{V} }. \]
-
3.5 Приведённое в условии значение потенциала противоречит предыдущим данным. Если \(0.798\ \mathrm{V}\) обозначает \(E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}\), результат равен \[ \boxed{K_{sp}(\ce{Hg2Cl2})=1.12\times10^{-18}}. \]
Решение
Все приведённые ниже электродные потенциалы даны в соответствии с соглашением о восстановительных потенциалах. Изменения термодинамических величин отнесены к одному молю суммарной реакции, записанной в 3.1. Произведения растворимости выражены через безразмерные активности.
Химические частицы и вещества и их представления SMILES:
| Частица или вещество | SMILES |
|---|---|
| Серебро, \(\ce{Ag}\) | [Ag] |
| Ртуть, \(\ce{Hg}\) | [Hg] |
| Хлорид-ион, \(\ce{Cl^-}\) | [Cl-] |
| Ион серебра(I), \(\ce{Ag+}\) | [Ag+] |
| Димерный ион ртути(I), \(\ce{Hg2^2+}\) | [Hg+][Hg+] |
| Хлорид серебра(I), \(\ce{AgCl}\) | [Ag+].[Cl-] |
| Хлорид ртути(I) (каломель), \(\ce{Hg2Cl2}\) | Cl[Hg][Hg]Cl |
Эти записи SMILES представляют атомы, ионы или связность формульной единицы, а не структуру металлической или кристаллической фазы. Представление каломели не кодирует линейную геометрию её структурной единицы \(\ce{Cl-Hg-Hg-Cl}\).
3.1 Электродные реакции и суммарная реакция
Отрицательный электрод этого гальванического элемента — анод, на котором происходит окисление. Степень окисления серебра изменяется от \(0\) до \(+1\) с образованием нерастворимого хлорида серебра(I):
\[ \ce{Ag(s) + Cl^-(aq) -> AgCl(s) + e^-}. \]
На положительном электроде, катоде, ртуть(I) в составе каломели восстанавливается до металлической ртути. Каждая формульная единица содержит два атома ртути, каждому из которых для восстановления требуется один электрон:
\[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \]
Умножая полуреакцию серебра на два и складывая полуреакции, сокращаем как электроны, так и хлорид-ионы:
\[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
Таким образом, число переносимых электронов для этой реакции равно \(n=2\).
3.2 Изменение энергии Гиббса
Для обратимого электрохимического элемента
\[ \Delta G^\circ=-nFE^\circ_{\mathrm{cell}}. \]
Следовательно,
\[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &=-2(96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}})(0.0455\ \mathrm{V})\\ &=-8780.317\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
Отрицательный знак означает, что реакция в записанном направлении протекает самопроизвольно в термодинамическом смысле в стандартных условиях при \(298\ \mathrm{K}\) и может совершать электрическую работу.
3.3 Изменение энтальпии
Используя заданный температурный коэффициент,
\[ \Delta S^\circ =nF\frac{dE^\circ_{\mathrm{cell}}}{dT}. \]
Отсюда
\[ \begin{aligned} \Delta S^\circ &=2(96487)(3.38\times10^{-4})\\ &=65.2252\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
Поскольку \(\Delta G^\circ=\Delta H^\circ-T\Delta S^\circ\),
\[ \begin{aligned} \Delta H^\circ &=\Delta G^\circ+T\Delta S^\circ\\ &=-8780.317+(298)(65.2252)\\ &=10656.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
Реакция эндотермическая. Положительное изменение энтропии делает величину \(T\Delta S^\circ\) достаточно большой, чтобы обеспечить отрицательное значение \(\Delta G^\circ\).
3.4 Стандартный потенциал хлорсеребряного электрода
Равновесие растворения описывается уравнением
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl^-(aq)}, \]
причём
\[ K_{sp}(\ce{AgCl})=a_{\ce{Ag+}}a_{\ce{Cl^-}}. \]
Для реакции восстановления
\[ \ce{Ag+(aq) + e^- -> Ag(s)}, \]
уравнение Нернста имеет вид
\[ E=E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Ag+}}. \]
Подстановка \(a_{\ce{Ag+}}=K_{sp}/a_{\ce{Cl^-}}\) даёт
\[ E= E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp} -\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Cl^-}}. \]
Реакция восстановления на хлорсеребряном электроде имеет вид
\[ \ce{AgCl(s) + e^- -> Ag(s) + Cl^-(aq)}. \]
Его стандартный потенциал получают при \(a_{\ce{Cl^-}}=1\). Таким образом, в обозначениях условия задачи,
\[ \boxed{ E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}) = E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+}) +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) }. \]
Численно
\[ \begin{aligned} E^\circ_{\mathrm{AgCl}} &=0.799+ \frac{(8.314)(298)}{96487} \ln(1.73\times10^{-10})\\ &=0.2218218\ \mathrm{V}\\ &=\boxed{0.222\ \mathrm{V}}. \end{aligned} \]
3.5 Произведение растворимости каломели
Прежде всего, заданная ЭДС элемента определяет потенциал каломельного электрода:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}} =E^\circ_{\mathrm{calomel}}-E^\circ_{\mathrm{AgCl}}. \]
Следовательно,
\[ E^\circ_{\mathrm{calomel}} =0.0455+0.2218218 =0.2673218\ \mathrm{V}. \]
Это противоречит значению \(0.798\ \mathrm{V}\), которое в пункте 3.5 прямо названо потенциалом каломельного электрода. Согласованный расчёт возможен, если это значение вместо этого относится к реакции
\[ \ce{Hg2^2+(aq) + 2e^- -> 2Hg(l)}, \qquad E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}=0.798\ \mathrm{V}. \]
При такой интерпретации каломель растворяется согласно уравнению
\[ \ce{Hg2Cl2(s) <=> Hg2^2+(aq) + 2Cl^-(aq)}, \]
поэтому
\[ K_{sp}(\ce{Hg2Cl2}) =a_{\ce{Hg2^2+}}a_{\ce{Cl^-}}^2. \]
Сложение этой реакции растворения с реакцией восстановления ртути(I) даёт реакцию каломельного электрода. Следовательно, соответствующие стандартные энергии Гиббса удовлетворяют соотношению
\[ -2FE^\circ_{\mathrm{calomel}} =-RT\ln K_{sp} -2FE^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}. \]
После преобразования
\[ \boxed{ K_{sp} = \exp\!\left[ \frac{2F}{RT} \left( E^\circ_{\mathrm{calomel}} -E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}} \right) \right] }. \]
Используя неокруглённое промежуточное значение потенциала,
\[ \begin{aligned} K_{sp} &=\exp\!\left[ \frac{2(96487)}{(8.314)(298)} (0.2673218-0.798) \right]\\ &=\boxed{1.12\times10^{-18}}. \end{aligned} \]
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IChO 1991 · مسألة نظرية 3
قطبا الفضة/كلوريد الفضة والكالوميل
تُغمر الأقطاب من النوع الثاني، المصنوعة من فلز مغطى بملح شحيح الذوبان لذلك الفلز، في محلول ملح ذائب يحتوي على أنيون الملح شحيح الذوبان. ويُعدّ قطب الفضة/كلوريد الفضة (\(\ce{Ag},\,\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\)) وقطب الكالوميل (\(\ce{Hg},\,\ce{Hg2Cl2}/\ce{Cl^-}\)) مثالين على هذه الأقطاب. تبلغ القوة الدافعة الكهربائية القياسية لخلية مكوّنة من هذين القطبين \((-)\ \ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}\parallel\ce{Hg2Cl2}/\ce{Hg}\ (+)\) القيمة \(E^0=0.0455\ \mathrm{V}\) عند \(T=298\ \mathrm{K}\). والمعامل الحراري لهذه الخلية هو \(dE^0/dT=3.38\times10^{-4}\ \mathrm{V\,K^{-1}}\).
3.1 اكتب معادلات التفاعلات التي تحدث عند كلٍّ من قطبي الخلية، ومعادلة التفاعل الكلي للخلية.
3.2 احسب التغير في طاقة غيبس الحرة (\(\Delta G^0\)) للعملية التي تحدث في الخلية عند 298 K. ما دلالة إشارته؟
3.3 احسب التغير في الإنثالبي للعملية التي تحدث عند 298 K.
\[ \Delta S=n\,F\,\Delta E/\Delta T. \]
3.4 إذا علمت أن الجهد القياسي لقطب \(\ce{Ag}/\ce{Ag+}\) هو \(E^0=0.799\ \mathrm{V}\)، وأن حاصل الإذابة لـ \(\ce{AgCl}\) هو \(K_{sp}=1.73\times10^{-10}\)، فاحسب قيمة جهد القطب القياسي لقطب الفضة/كلوريد الفضة. اشتق تعبيرًا يبيّن العلاقة بين \(E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+})\) و\(E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-})\).
3.5 احسب حاصل الإذابة لـ \(\ce{Hg2Cl2}\)، علمًا بأن الجهد القياسي لقطب الكالوميل هو \(E^0=0.798\ \mathrm{V}\).
\[ F=96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}},\qquad R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}},\qquad T=298\ \mathrm{K} \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
3.1 القطب السالب، الأكسدة: \[ \ce{2Ag(s) + 2Cl^-(aq) -> 2AgCl(s) + 2e^-}. \] القطب الموجب، الاختزال: \[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \] التفاعل الكلي: \[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
-
3.2 \(\boxed{\Delta G^\circ=-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). التفاعل في الاتجاه الأمامي تلقائي من الناحية الديناميكية الحرارية في الظروف القياسية عند \(298\ \mathrm{K}\).
-
3.3 \(\boxed{\Delta H^\circ=+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\). التفاعل ماصّ للحرارة.
-
3.4 \[ \boxed{ E^\circ_{\mathrm{AgCl}} =E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) =0.222\ \mathrm{V} }. \]
-
3.5 الجهد المطبوع غير متسق مع المعطيات السابقة. إذا كانت القيمة \(0.798\ \mathrm{V}\) تشير إلى \(E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}\)، فإن النتيجة هي \[ \boxed{K_{sp}(\ce{Hg2Cl2})=1.12\times10^{-18}}. \]
الحل
تُستخدم فيما يلي جهود الاختزال لجميع الأقطاب. وتُحسب التغيرات الديناميكية الحرارية لكل مول من التفاعل الكلي المكتوب في 3.1. ويُعبَّر عن حواصل الإذابة باستخدام فعاليات عديمة الأبعاد.
الأنواع الكيميائية وتمثيلاتها بصيغة SMILES هي:
| النوع الكيميائي | SMILES |
|---|---|
| الفضة، \(\ce{Ag}\) | [Ag] |
| الزئبق، \(\ce{Hg}\) | [Hg] |
| أيون الكلوريد، \(\ce{Cl^-}\) | [Cl-] |
| أيون الفضة(I)، \(\ce{Ag+}\) | [Ag+] |
| أيون الزئبق(I) الثنائي، \(\ce{Hg2^2+}\) | [Hg+][Hg+] |
| كلوريد الفضة(I)، \(\ce{AgCl}\) | [Ag+].[Cl-] |
| كلوريد الزئبق(I) (الكالوميل)، \(\ce{Hg2Cl2}\) | Cl[Hg][Hg]Cl |
تمثّل صيغ SMILES هذه ذرات أو أيونات أو كيفية اتصال الذرات في وحدة الصيغة، ولا تمثّل البنى الفلزية أو البلورية للمادة في حالتها الكتلية. ولا يشفّر تمثيل الكالوميل الشكل الهندسي الخطي لوحدته \(\ce{Cl-Hg-Hg-Cl}\).
3.1 تفاعلات القطبين والتفاعل الكلي
القطب السالب في هذه الخلية الغلفانية هو المصعد، حيث تحدث الأكسدة. تنتقل الفضة من حالة الأكسدة \(0\) إلى \(+1\)، مكوِّنةً كلوريد الفضة(I) غير الذائب:
\[ \ce{Ag(s) + Cl^-(aq) -> AgCl(s) + e^-}. \]
عند القطب الموجب، المهبط، يُختزل الزئبق(I) الموجود في الكالوميل إلى زئبق عنصري. تحتوي كل وحدة صيغة على ذرتي زئبق، تحتاج كلٌّ منهما إلى إلكترون واحد:
\[ \ce{Hg2Cl2(s) + 2e^- -> 2Hg(l) + 2Cl^-(aq)}. \]
بضرب نصف تفاعل الفضة في اثنين ثم جمع نصفي التفاعل، تُحذف الإلكترونات وأيونات الكلوريد من الطرفين:
\[ \boxed{\ce{2Ag(s) + Hg2Cl2(s) -> 2AgCl(s) + 2Hg(l)}}. \]
إذن عدد الإلكترونات المنتقلة في هذا التفاعل هو \(n=2\).
3.2 التغير في طاقة غيبس الحرة
لخلية كهروكيميائية عكوسة،
\[ \Delta G^\circ=-nFE^\circ_{\mathrm{cell}}. \]
وعليه،
\[ \begin{aligned} \Delta G^\circ &=-2(96487\ \mathrm{C\,mol^{-1}})(0.0455\ \mathrm{V})\\ &=-8780.317\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{-8.78\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
تعني الإشارة السالبة أن التفاعل كما كُتب يجري تلقائيًا بالمعنى الديناميكي الحراري في الظروف القياسية عند \(298\ \mathrm{K}\)، ويمكنه أن يبذل شغلًا كهربائيًا.
3.3 التغير في الإنثالبي
باستخدام المعامل الحراري المعطى،
\[ \Delta S^\circ =nF\frac{dE^\circ_{\mathrm{cell}}}{dT}. \]
ومن ثم،
\[ \begin{aligned} \Delta S^\circ &=2(96487)(3.38\times10^{-4})\\ &=65.2252\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}. \end{aligned} \]
بما أن \(\Delta G^\circ=\Delta H^\circ-T\Delta S^\circ\)،
\[ \begin{aligned} \Delta H^\circ &=\Delta G^\circ+T\Delta S^\circ\\ &=-8780.317+(298)(65.2252)\\ &=10656.8\ \mathrm{J\,mol^{-1}}\\ &=\boxed{+10.7\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
التفاعل ماصّ للحرارة. ويجعل التغير الموجب في الإنتروبيا قيمة \(T\Delta S^\circ\) كبيرة بما يكفي لتكون \(\Delta G^\circ\) سالبة.
3.4 جهد قطب الفضة/كلوريد الفضة القياسي
اتزان الذوبان هو
\[ \ce{AgCl(s) <=> Ag+(aq) + Cl^-(aq)}, \]
حيث
\[ K_{sp}(\ce{AgCl})=a_{\ce{Ag+}}a_{\ce{Cl^-}}. \]
لتفاعل الاختزال
\[ \ce{Ag+(aq) + e^- -> Ag(s)}, \]
تكون معادلة نرنست
\[ E=E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Ag+}}. \]
بالتعويض بـ \(a_{\ce{Ag+}}=K_{sp}/a_{\ce{Cl^-}}\) نحصل على
\[ E= E^\circ_{\ce{Ag+}/\ce{Ag}} +\frac{RT}{F}\ln K_{sp} -\frac{RT}{F}\ln a_{\ce{Cl^-}}. \]
تفاعل الاختزال لقطب الفضة/كلوريد الفضة هو
\[ \ce{AgCl(s) + e^- -> Ag(s) + Cl^-(aq)}. \]
يُحصل على جهده القياسي عند \(a_{\ce{Cl^-}}=1\). ومن ثم، باستخدام ترميز السؤال،
\[ \boxed{ E^0(\ce{Ag},\ce{AgCl}/\ce{Cl^-}) = E^0(\ce{Ag}/\ce{Ag+}) +\frac{RT}{F}\ln K_{sp}(\ce{AgCl}) }. \]
عدديًا،
\[ \begin{aligned} E^\circ_{\mathrm{AgCl}} &=0.799+ \frac{(8.314)(298)}{96487} \ln(1.73\times10^{-10})\\ &=0.2218218\ \mathrm{V}\\ &=\boxed{0.222\ \mathrm{V}}. \end{aligned} \]
3.5 حاصل إذابة الكالوميل
أولًا، تحدّد القوة الدافعة الكهربائية المعطاة للخلية جهد قطب الكالوميل:
\[ E^\circ_{\mathrm{cell}} =E^\circ_{\mathrm{calomel}}-E^\circ_{\mathrm{AgCl}}. \]
وعليه،
\[ E^\circ_{\mathrm{calomel}} =0.0455+0.2218218 =0.2673218\ \mathrm{V}. \]
يتعارض ذلك مع القيمة \(0.798\ \mathrm{V}\) التي وُصفت صراحةً بأنها جهد الكالوميل في الجزء 3.5. ويمكن إجراء حساب متسق إذا كانت تلك القيمة تشير بدلًا من ذلك إلى
\[ \ce{Hg2^2+(aq) + 2e^- -> 2Hg(l)}, \qquad E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}=0.798\ \mathrm{V}. \]
وفق هذا التفسير، يذوب الكالوميل بحسب
\[ \ce{Hg2Cl2(s) <=> Hg2^2+(aq) + 2Cl^-(aq)}, \]
ومن ثم
\[ K_{sp}(\ce{Hg2Cl2}) =a_{\ce{Hg2^2+}}a_{\ce{Cl^-}}^2. \]
بجمع تفاعل الذوبان هذا مع تفاعل اختزال الزئبق(I)، نحصل على تفاعل قطب الكالوميل. ولذلك تحقق طاقات غيبس القياسية المقابلة العلاقة
\[ -2FE^\circ_{\mathrm{calomel}} =-RT\ln K_{sp} -2FE^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}}. \]
بإعادة الترتيب،
\[ \boxed{ K_{sp} = \exp\!\left[ \frac{2F}{RT} \left( E^\circ_{\mathrm{calomel}} -E^\circ_{\ce{Hg2^2+}/\ce{Hg}} \right) \right] }. \]
باستخدام قيمة الجهد الوسيطة دون تقريب،
\[ \begin{aligned} K_{sp} &=\exp\!\left[ \frac{2(96487)}{(8.314)(298)} (0.2673218-0.798) \right]\\ &=\boxed{1.12\times10^{-18}}. \end{aligned} \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.