В помощь студентам для выполнения контрольной работы предложена краткая теория по тематике задачи и примеры решения подобных задач. Ниже представлен пример из темы «Электродные потенциалы и электродвижущие силы»:

При решении данного раздела см. в Приложении табл.3 «Стандартные электродные потенциалы ( ) некоторых металлов (ряд напряжений)»

Если металлическую пластину опустить в воду, то катионы металла на её поверхности гидратируются полярными молекулами воды и переходят в жидкость. При этом электроны, в избытке остающиеся в металле, заряжают его поверхностный слой отрицательно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла. В результате этого в системе устанавливается подвижное равновесие:
;
в растворе на металле

где n - число электронов, принимающих участие в процессе. На границе металл-жидкость возникает двойной электрический слой, характеризующийся определенным скачком потенциала – электродным потенциалом. Абсолютное значение электродных потенциалов измерить не удается. Электродные потенциалы зависят от ряда факторов (природы металла, концентрации, температуры и др.). Поэтому обычно определяют относительные электродные потенциалы в определенных условиях – так называемые стандартные электродные потенциалы ( ).
Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью), равной 1 моль/л, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25оС условно принимается равным нулю ( =0; ).
Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов ( ), получаем так называемый ряд напряжений.
Положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его восстановительную способность, а также окислительные свойства его ионов в водных растворах при стандартных условиях. Чем меньше значение , тем большими восстановительными способностями обладает данный металл в виде простого вещества и тем меньшие окислительные способности проявляют его ионы, и наоборот. Электродные потенциалы измеряются в приборах, которые получили название гальванических элементов. Окислительно-восстановительная реакция, которая характеризует работу гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС элемента имеет положительное значение. В этом случае , так как , где n - число электронов, принимающих участие в процессе; F – число Фарадея; Е – ЭДС гальванического элемента. Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода:
.

Пример 1. Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем кобальта (см. табл.3). Изменится ли это соотношение, если изменить потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 моль/л, а потенциалы кобальта – в растворе с концентрацией 0,1 моль/л?
Решение: электродный потенциал металла ( ) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:
,
где – стандартный электродный потенциал; n - число электронов, принимающих участие в процессе; С – концентрация (при точных вычислениях - активность) гидратированных ионов металла в растворе, моль/л; для никеля и кобальта соответственно равны –0,250 и –0,277 В. Определим электродные потенциалы этих металлов при данных в условии концентрациях:
В,
В.

Таким образом, при изменившейся концентрации потенциал кобальта стал больше потенциала никеля.

Пример2. Магниевую пластинку опустили в раствор его соли. При этом электродный потенциал магния оказался равен –2,363В. Вычислите концентрацию ионов магния (в моль/л).
Решение. Подобные задачи также решаются на основании уравнения Нернста (см. пример 1):


,
.

Пример 3. Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной концентрацией 1 моль/л. Какой металл является анодом, какой катодом? Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его ЭДС.
Решение. Схема данного гальванического элемента
(-) Mg | Mg2+ || Zn2+ | Zn (+).
Вертикальной линией обозначается поверхность раздела между металлом и раствором, а двумя – границу раздела двух жидких фаз – пористую перегородку (мили соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (-2,363 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
(1).
Цинк, потенциал которого –0,763 В, - катод, т.е. электрод на котором протекает восстановительный процесс:
(2).
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента/, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного(2) процессов:
.
Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода. Так как концентрация ионов в растворе равна 1 моль/л, то ЭДС элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:
В.

Контрольные вопросы

145. Рассчитайте ЭДС элемента Zn+2Ag+«Zn2++2Ag, в котором при 298К установилось равновесие. Цинковый и серебряный электроды опущены в растворы их солей с активной концентрацией их ионов 1 моль/л. Напишите для данного гальванического элемента электронные уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде. Составьте схему.
146.При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001 М растворе, а другой такой же электрод в 0,01 М растворе сульфата никеля.
147.Рассчитайте стандартную ЭДС элемента, в котором установилось равновесие: Mg + Zn2+Mg2++ Zn; aZn2+=10-2 моль/л, àMg2+=10-3 моль/л. Напишите электронные уравнения электронных процессов.
148.Рассчитайте ЭДС элемента, в котором при 298К установилось равновесие: Cd+Cu2+Cd2++Cu; à Cu2+=10-3 моль/л, аCd2+=10-2 моль/л. Напишите электронные уравнения электродных процессов.
149.Рассчитайте ЭДС элемента, в котором при 298К установилось равновесие: Fe+2Ag+Fe2++2Ag, при аFe2+=10-2моль/л, аAg+=10-3моль/л. Напишите электронные уравнения электродных процессов.
150.Составьте схему элемента при аАg+=10-1моль/л у одного электрода и aАg+=10-4 моль/л у другого электрода. Укажите, какой из электродов будет анодом, а какой катодом. Рассчитайте ЭДС элемента.
151.Составьте схему элемента при aZn2+=10-2 моль/л у одного электрода и aZn2+=10-6 моль/л у другого электрода. Укажите, какой из электродов будет анодом, а какой катодом. Рассчитайте ЭДС элемента.
152. Определите активность ионов Cu2+ в растворе, в котором установилось равновесие: Zn+Cu2+Zn2++Cu, если при 298 К ЭДС элемента равна 1,16 В и aZn2+=10-2 моль/л. Напишите уравнения электродных процессов.
153.При какой активности ионов Pb2+ равновесный потенциал свинцового электрода при 298 К будет равен стандартному потенциалу никелевого электрода?
154.Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из алюминиевых электродов, опущенных: первый в 0,01 М, второй - в 0,1 М раствора Al(NO3)3.
155.Гальванический элемент составлен из стандартного цинкового электрода и хромового электрода, погруженного в раствор, содержащий ионы Cr3+. Определите концентрацию ионов Cr3+, если ЭДС этого гальванического элемента равна 0.
156.Вычислите ЭДС гальванического элемента, составленного из стандартного водородного электрода и цинкового электрода, погруженного в раствор ZnSO4, в котором концентрация ионов [Zn2+]=0,01моль/л. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах при работе этого элемента.
157.При какой концентрации ионов алюминия значение потенциала алюминиевого электрода становится равным стандартному потенциалу водородного электрода. Составьте схему гальванического элемента и уравнения электродных процессов.
158.Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов, вычислите ЭДС медно-кадмиевого гальванического элемента, в котором Cd2+ = 0,1 моль/л, а Cu2+ = 0,01 моль/л.
159. Никелевый и кобальтовый электроды опущены соответственно в растворы Ni(NO3)2 и Co(NO3)2. В каком соотношении должна быть концентрация ионов этих металлов, чтобы потенциалы обоих электродов были одинаковыми? Составьте схему гальванического элемента и уравнения электродных процессов.
160. Гальванический элемент составлен из стандартного водородного электрода и медного электрода, погруженного в раствор своей соли с концентрацией [Cu2+]=0,1моль/л. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС этого гальванического элемента.
161. Составьте схему гальванического элемента, состоящего из пластин свинца и цинка, погруженных в растворы солей. Напишите электронные уравнения электродных процессов. Какой концентрации надо взять ионы цинка (в моль/л), чтобы ЭДС элемента стала равной нулю, если [Рв2+]=0,01 моль/л.
162. При какой концентрации ионов свинца значение потенциала свинцового электрода становиться равным стандартному потенциалу водородного электрода. Составьте схему гальванического элемента и уравнения электродных процессов
163. Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из пластин кадмия и магния, погруженных в растворы своих солей с концентрацией 0,1 моль/л.
164. Вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из стандартного водорода и магниевого электрода, погруженного в раствор MgCl2, в котором [Mg2+]=0,001моль/л. Составьте электронные уравнения электродных процессов.

1. Зубрев Н.И. Техническая химия на железнодорожном транспорте. Ч. 1: Учеб. пос. – М.: РГОТУПС, 1998.
2. Зубрев Н.И. Химические источники тока. – М.: РГОТУПС, 1997.
3. Зубрев Н.И. Коррозия металлов на железнодорожном транспорте. – М.: РГОТУПС, 1997.
4. Ефанова В.В, Зубрев Н.И., Заглядимова Н.В., Махнин А.А., Журавлева М.А., Еремин М.В. Рабочая программа и задание на контрольную работудля студентов I курса инженерно-технических специальностей кроме 220100 (ЭВМ), 330100 (БЖТ), 330200 (ЭК),- М., 2009
5. Заглядимова, В.В Ефанова В.В. Руководство к выполнению лабораторных работ по «Химии» с методическими указаниями. Часть1 для студентов 1 курса всех специальностей, кроме ЭВМ, ЭК, БЖТ– М., 2008.
6. Заглядимова, В.В Ефанова В.В. Руководство к выполнению лабораторных работ по «Химии» с методическими указаниями. Часть2 для студентов 1 курса всех специальностей, кроме ЭВМ, ЭК, БЖТ. М., 2009.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ

1. Изучив глубоко содержание учебной дисциплины, целесообразно разработать матрицу наиболее предпочтительных методов обучения и форм самостоятельной работы студентов, адекватных видам лекционных и семинарских занятий.
2. Необходимо предусмотреть развитие форм самостоятельной работы, выводя студентов к завершению изучения учебной дисциплины на её высший уровень.
3. Организуя самостоятельную работу, необходимо постоянно обучать студентов методам такой работы.
4. Вузовская лекция – главное звено дидактического цикла обучения. Её цель – формирование у студентов ориентировочной основы для последующего усвоения материала методом самостоятельной работы. Содержание лекции должно отвечать следующим дидактическим требованиям:
- изложение материала от простого к сложному, от известного к неизвестному;
- логичность, четкость и ясность в изложении материала;
- возможность проблемного изложения, дискуссии, диалога с целью активизации деятельности студентов;
- опора смысловой части лекции на подлинные факты, события, явления, статистические данные;
- тесная связь теоретических положений и выводов с практикой и будущей профессиональной деятельностью студентов.
Преподаватель, читающий лекционные курсы в вузе, должен знать существующие в педагогической науке и используемые на практике варианты лекций, их дидактические и воспитывающие возможности, а также их методическое место в структуре процесса обучения.
5. При изложении материала важно помнить, что почти половина информации на лекции передается через интонацию. В профессиональном общении исходить из того, что восприятие лекций студентами заочной формы обучения существенно отличается по готовности и умению от восприятия студентами очной формы.
6. При проведении аттестации студентов важно всегда помнить, что систематичность, объективность, аргументированность – главные принципы, на которых основаны контроль и оценка знаний студентов. Проверка, контроль и оценка знаний студента, требуют учета его индивидуального стиля в осуществлении учебной деятельности. Знание критериев оценки знаний обязательно для преподавателя и студента.

4. МАТЕРИАЛЫ ТЕКУЩЕГО И ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТРОЛЯ.
МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

По дисциплине «Химия» предусмотрен промежуточный контроль в виде зачёта по лабораторным работам, экзамена по теоретическому материалу и текущий контроль в виде защиты контрольной работы. Порядок проведения текущего контроля и промежуточной аттестации строго соответствует Положению о проведении текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации студентов в университете. Ниже приводятся примеры материалов, используемых для промежуточного контроля знаний по лабораторным работам.

4.1 Материалы промежуточного контроля

Ниже приводится примеры материалов, используемых для промежуточного контроля знаний в рамках самостоятельной работы студентов по лабораторным работам №1,2,3,4 (проводится после защиты всех лабораторных работ по вопросам, представленным в методических изданиях по лабораторным работам).

Вариант №1.
1. Напишите уравнения реакции гидролиза соли K2СO3 в молекулярном и ионном видах, определите рН среды.
2. Составьте схему гальваничеcкого элемента Al-Zn в растворах их солей с концентрацией 1М, напишите уравнения реакций анодного и катодного процессов. Вычислите ЭДС.
3. Составьте уравнение реакции электролиза раствора Na2SO4.
4. Оцинкованное железо. Какое это покрытие? Напишите уравнения анодного и катодного процессов коррозии в кислой среде.

Вариант №2.
1. Напишите уравнения реакции гидролиза соли CaCl2 в молекулярном и ионном видах, определите рН среды.
2. Составьте схему гальванического элемента Cr-Al в растворах их солей с концентрацией 1М, напишите уравнения реакций анодного и катодного процессов. Вычислите ЭДС.
3. Составьте уравнения реакции электролиза раствора NiSO4.
4. Цинк покрыт никелем. Какое это покрытие? Напишите уравнения анодного и катодного процессов коррозии во влажном воздухе.

4.2 Материалы итогового контроля
Далее приводится материалы итогового контроля: примерный перечень вопросов к экзамену по изучаемому курсу химии.

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ ПО ХИМИИ

1. Квантовые числа. Атомные орбитали. Принцип Паули.
2. Порядок заполнения электронных подуровней. Правило Паули и Гунда
3. Электронные формулы элементов. Высшая и низшая степень окисления
4. Составление электронных формул элементов.
5. Электронные облака.
6. Основные типы и характеристики химической связи.
7. Водородная связь. Свойства водородной связи.
8. Ковалентная и ионная связь.
9. Донорно-акцепторное взаимодействие.
10. Кристаллические решетки.
11. Энергия ионизации. Восстановительная способность элементов.
12. Сродство к электрону. Окислительная способность элементов.
13. Электроотрицательность. Окислительная способность элементов.
14. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики.
15. Параметры термической и химической устойчивости (∆H и ∆G).
16. Тепловой эффект реакции и энтальпия. Закон Гесса.
17. Энергия активации. Энергия Гиббса. Сравнение этих величин.
18. Энтропия и ее свойства.
19. Стандартная энергия Гиббса. Определение направления химического процесса.
20. Первый и второй законы термодинамики
21. Расчет константы равновесия по значениям стандартной энергии Гиббса.
22. Расчет константы равновесия по значениям энергии Гиббса.
23. Обратимые процессы. Константа гомогенного и гетерогенного обратимых процессов.
24. Обратимые процессы. Факторы влияния на сдвиг химического равновесия
25. Закон действия масс для гетерогенного и гомогенного процесса
26. Водородный показатель. Диссоциация воды. Ионное произведение воды
27. Гидролиз солей. Сильные и слабые электролиты.
28. Схемы гидролиза и определение рН.
29. Уравнение Нерста.
30. Электролиз. Первый закон Фарадея.
31. . Электролиз. Второй закон Фарадея.
32. Электролиз. Выход по току
33. Схемы электролиза растворов солей.
34. Гальванический элемент. Расчет ЭДС.
35. . Электродные потенциалы. Ряд стандартных потенциалов
36. . Концентрационный гальванический элемент
37. Протекторная и катодная защита металлов от коррозии
38. . Способы защиты металлов от коррозии.
39. . Коррозия металлов. Металлические покрытия.
40. Термореактивные полимеры.
41. Коррозия металлов. Поляризация.
42. Как происходит атмосферная коррозия луженого и оцинкованного железа при нарушении целостности покрытия. Составьте уравнение анодного и катодного процессов.
43. . Коррозия металлов. Водородная и кислородная деполяризация.
44. Способы защиты металлов от коррозии. Катодное покрытие.
45. . Способы защиты металлов от коррозии. Анодное покрытие
46. Влияние водородного показателя на коррозию алюминия и цинка.
47. Сравнение протекторной и катодной защиты от коррозии металла.
48. Коррозия под действием блуждающих токов и защита от нее.
49. Жесткость воды.
50. Присутствие каких солей обусловливает жесткость природной воды? Как можно устранить карбонатную и некарбонатную жесткость воды?
51. Некарбонатная жесткость воды и способы ее удаления.
52. Карбонатная жесткость и способы ее удаления.

Сроки и форма проведения контроля должны соответствовать нормам, установленным требованиями Государственного образовательного стандарта, распоряжениями Министерства образования России, а также – соответствующими приказами по Московскому государственному университету путей сообщения (МИИТ).