Странный электролиз

[Ruslan_Sharipov]

Так всё же будет ли железный гвоздь ржаветь в дистиллированной воде, очищенной от растворённого кислорода, в бескислородной атмосфере? Научите считать концентрации ионов по стандартным электродным потенциалам.

[yatcheh]

Так всё же будет ли железный гвоздь ржаветь в дистиллированной воде, очищенной от растворённого кислорода, в бескислородной атмосфере? Научите считать концентрации ионов по стандартным электродным потенциалам.

 

Берёшь уравнение Нернста - и считаешь.

[Ruslan_Sharipov]

Хорошо, давайте попробуем. Согласно Википелии Для реакции Fe³⁺ + 3e⁻ → Fe(тв)  −0.036 В при стандартной температуре получается

 

E = 0.036 В + (0.0592 В / 3)*lg([Fe³⁺] / [Fe(тв)])

 

Что такое активность железа в твёрдой фазе [Fe(тв)]  - это большой вопрос. Однако, оставим его в стороне и напишем формулу для второй реакции Fe²⁺ + 2e⁻ → Fe(тв) −0.44 В при стандартной температуре

 

E = 0.44 В + (0.0592 В / 2)*lg([Fe²⁺] / [Fe(тв)])
 

Здесь E по смыслу получается потенциал железного гвоздя относительно раствора. При стандартных условиях обе формулы должны давать стандартные потенциалы. Поэтому

 

[Fe(тв)] = [Fe³⁺(ст)]

 

[Fe(тв)] = [Fe²⁺(ст)]

 

В верности этих формул есть большие сомнения, поскольку [(Fe³⁺(ст)] и [(Fe²⁺(ст)] - это две величины, описывающие природу ионов. С какой стати они вдруг должны совпадать?

 

Однако продолжим. Даже если последние две формулы и неверны, первые две можно переписать так:

 

E = 0.036 В + (0.0592 В / 3)*lg([Fe³⁺] / [Fe³⁺(ст)])

E = 0.44 В + (0.0592 В / 2)*lg([Fe²⁺] / [Fe²⁺(ст)])

 

Если считать [Fe³⁺(ст)] и [Fe²⁺(ст)] известными табличными величинами, то всё равно в наших двух уравнениях три переменные. Это E, это [Fe³⁺], и это [Fe²⁺]. Их все три из двух уравнений найти нельзя.

 

Yatcheh, нужны ещё какие-то соображения, кроме уравнения Нернста. Железный гвоздь в дистиллированной воде не так прост, как кажется.

Изменено 29 Октября, 2017 в 05:20 пользователем Ruslan_Sharipov

[Хоббит)]

А каким путём в дистиллированную воду могут попасть ионы железа? Другими словами - какая сила оторвёт электроны и куда их денет ?

Если рассчитывать, что этот процесс допустим произойдёт, то его может остановить как раз указанный для иона потенциал железа, в котором останутся бесхозные электроны. Т.е. концентрация ионов будет расти, пока не достигнет указанного потенциала. Е=0, а концентрации вычислите.

Изменено 29 Октября, 2017 в 07:20 пользователем Хоббит)

[yatcheh]

Yatcheh, нужны ещё какие-то соображения, кроме уравнения Нернста. Железный гвоздь в дистиллированной воде не так прост, как кажется.

 

Стандартный потенциал стандартен в стандартных условиях. Стандартные условия - это концентрация (активность) ионов 1 моль/л.

[Ruslan_Sharipov]

А каким путём в дистиллированную воду могут попасть ионы железа?

Атом железа покидает кристаллическую решётку железа в гвозде, оставляя там 2 или 3 электрона, превращается в ион и уходит в воду. Гвоздь заряжается отрицательно, вода - положительно. Заряды скорее всего сосредоточены вблизи граница раздела фаз. Но они не рекомбинируют, потому что им это по каким-то соображениям невыгодно. Ион железа может прореагировать с гидроксил-ионами

 

Fe³⁺ + 3 OH^- = Fe(OH)₃ ↓

Fe²⁺ + 2 OH^- = Fe(OH)₂ ↓

 

Образующийся избыток ионов H+ будет вынимать из гвоздя новые атомы железа

 

2 H⁺ + Fe = Fe²⁺ + H₂ ↑

6 H+ + 2 Fe = 2 Fe³⁺ + 3 H₂ ↑

 

В целом - это процесс бескислородного ржавения гвоздя. Но газовыделения мы не видим, по-видимому в силу крайней медленности процесса. Вся проблема в том, как рассчитать этот процесс исходя из потенциалов.

 

Ржавение гвоздя малоинтересный процесс. Но те же проблемы связаны с расчетом электролиза смеси серной и уксусной кислот. Как там обеспечить получение диметилсульфата. Yatcheh сказал, что проблема в потенциалах окисления. Но потенциалы окисления зависят от концентраций (ионной активности). Значит этими потенциалами можно управлять. 

Стандартный потенциал стандартен в стандартных условиях. Стандартные условия - это концентрация (активность) ионов 1 моль/л.

Википедия пишет 1 моль/кг, хотя это не суть. Значит

 

[Fe(тв)] = [Fe³⁺(ст)] = 1 моль на кг или литр,

[Fe(тв)] = [Fe²⁺(ст)] = 1 моль на кг или литр.

 

Значит не надо искать в справочниках. Но в двух уравнениях

 

E = 0.036 В + (0.0592 В / 3)*lg([Fe³⁺] / [Fe³⁺(ст)])

E = 0.44 В + (0.0592 В / 2)*lg([Fe²⁺] / [Fe²⁺(ст)])

 

все равно три неизвестных. Даже без учёта процессов ржавения. Yatcheh, по прежнему нужны ещё какие-то соображения, кроме уравнения Нернста.

Изменено 29 Октября, 2017 в 08:39 пользователем Ruslan_Sharipov

[Хоббит)]

Атом железа покидает кристаллическую решётку железа в гвозде, оставляя там 2 или 3 электрона, превращается в ион и уходит в воду. Гвоздь заряжается отрицательно, вода - положительно. Заряды скорее всего сосредоточены вблизи граница раздела фаз. Но они не рекомбинируют, потому что им это по каким-то соображениям невыгодно. Ион железа может прореагировать с гидроксил-ионами

 

Fe³⁺ + 3 OH^- = Fe(OH)₃ ↓

Fe²⁺ + 2 OH^- = Fe(OH)₂ ↓

 

Образующийся избыток ионов H+ будет вынимать из гвоздя новые атомы железа...

если вы так хорошо всё знаете, то зачем спрашиваете? 

Вода не может заряжаться положительно ( за вычетом поляризации ) и она вообще дистиллированная - там нет ионов. Это же ваше условие.

Так же и ион Н+ не "вынимает" железо из гвоздя - ему только электроны нужны, а не железо.

...Не наблюдаете выделения водорода - ну, может мешает слой ваших гидроксидов на поверхности гвоздя ?

...

все равно три неизвестных. Даже без учёта процессов ржавения. Yatcheh, по прежнему нужны ещё какие-то соображения, кроме уравнения Нернста.

Так и нас - трое. Ваша задача какая ? - считать концентрацию ионов железа. Она находится под логарифмом. Е=0, стандартная конц. известна,- что ещё надо ?

[yatcheh]

Вся проблема в том, как рассчитать этот процесс исходя из потенциалов.

 

 

Электрохимический потенциал - величина термодинамическая, и имеет смысл только для равновесного процесса. А гвоздь, всунутый в чистую воду - изначально неравновесная система, и применять тут уравнение Нернста некорректно. 

 

[Fe(тв)] = [Fe³⁺(ст)] = 1 моль на кг или литр,

[Fe(тв)] = [Fe²⁺(ст)] = 1 моль на кг или литр.

 

Значит не надо искать в справочниках. Но в двух уравнениях

 

E = 0.036 В + (0.0592 В / 3)*lg([Fe³⁺] / [Fe³⁺(ст)])

E = 0.44 В + (0.0592 В / 2)*lg([Fe²⁺] / [Fe²⁺(ст)])

 

все равно три неизвестных. Даже без учёта процессов ржавения. Yatcheh, по прежнему нужны ещё какие-то соображения, кроме уравнения Нернста.

 

Если в растворе смесь ионов Fe+2 и Fe+3, то Fe+3 будут восстанавливаться железом, пока потенциал гвоздя не уравняется относительно обоих ионов. Получится равновесная система.

 

Вы почитайте энциклопиду про двойной электрический слой, в той её части, которая касается потенциала электрода при отсутствии в растворе потенциалоопределяющих ионов. Там действительно всё непросто.

 

Это что касается потенциала гвоздя. Если же вы хотите узнать что станет с гвоздём, если его достаточно долго продержать в воде, то это уже вопрос химической кинетики, тут потенциалы ни чем не помогут.

Изменено 29 Октября, 2017 в 09:06 пользователем yatcheh

[Хоббит)]

А может с примера в Вики начать : https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%9D%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%81%D1%82%D0%B0

Там расписан пример равновесия с двумя потенциалами - если выделяется водород. 

...А гвоздь, всунутый в чистую воду - изначально неравновесная система, и применять тут уравнение Нернста некорректно.

А можно подробнее ? Если бы не разрядка водорода, то процесс появления ионов железа остановился бы как раз, сформировав некий заградительный потенциал.

Изменено 29 Октября, 2017 в 09:08 пользователем Хоббит)

[yatcheh]

А можно подробнее ? Если бы не разрядка водорода, то процесс появления ионов железа остановился бы как раз, сформировав некий заградительный потенциал.

 

Я ж говорю - "изначально", для "голого" гвоздя, т.е. в момент всунутия. Естественно. в какой-то момент система зарядов уравновесится. Но ТС-то помянул "расчёт процесса", хотя тут речь может идти только о расчёте состояния.

Изменено 29 Октября, 2017 в 09:23 пользователем yatcheh