![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Общие сведения. Известно, что если металл поместить в раствор его соли, то на границе металл-раствор возникнет скачок потенциала
Известно, что если металл поместить в раствор его соли, то на границе металл-раствор возникнет скачок потенциала. Его возникновение можно упрощенно объяснить следующим образом. Сопоставим значения энергии кристаллической решетки Гальваническим элементом называется система, в которой за счет протекающей в ней химических процессов генерируется электрическая энергия. Гальванический элемент (ГЭ) является комбинацией электронных и ионных проводников. Рассмотрим в качестве примера элемент Даниэля-Якоби, состоящий из цинкового и медного электродов, опущенных соответственно в растворы сульфатов цинка и меди, разделенных пористой диафрагмой, предотвращающей смешение растворов (рис.1).
Согласно рекомендации IUPAC на левом электроде следует записывать реакцию окисления, а на правом - реакцию восстановления, при этом левый электрод заряжается отрицательно, а правый положительно. Учитывая то, что число электронов, участвующих в реакции восстановления, должно быть равно числу электронов, участвующих в реакции окисления, суммарную электродную реакцию находят путем линейной комбинации реакций окисления и восстановления с учетом соответствующих коэффициентов (коэффициентов линейной комбинации). Следуя вышеизложенному, электродные реакции, протекающие в рассматриваемом в качестве примера элементе Даниэля-Якоби, можно записать (-) (+) Результирующая реакция, протекающая в гальваническом элементе, находится путем линейной комбинации реакций (1) и (2):
Коэффициенты линейной комбинации реакций (1) и (2) для данного гальванического элемента равны единице. В случае другого гальванического элемента, например элемента, составленного из цинкового и серебряного электродов, опущенных в водные растворы своих азотнокислых солей, коэффициенты линейной комбинации электродных реакций будут иметь иные значения:
Число электронов (z), которое проходит через электрохимическую цепь, когда суммарная электронная реакция совершает один пробег, находится как наименьшее общее кратное и для рассмотренной выше реакции z =2. Вернувшись к элементу Даниэля-Якоби, отметим, что цинковый электрод заряжается отрицательно, а медный - положительно. При замыкании цепи происходит перемещение электронов от цинка к меди в проводнике, соединяющем электроды. Одновременно через пористую диафрагму будет происходить диффузия ионов
Вертикальной сплошной чертой обозначается граница между металлом и раствором; пунктирной чертой обозначается граница между двумя электролитами. Элемент называется правильно разомкнутым, если на обоих концах его находится один и тот же проводник:
Если существует равновесие на каждой фазовой границе, а разность потенциалов на концах правильно разомкнутой цепи скомпенсирована разностью потенциалов от внешнего источника тока, то такая электрохимическая цепь равновесна. Напряжение в электрохимической цепи при этом достигает максимального значения. Его называют электродвижущей силой (Е).
Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента равна сумме скачков потенциалов ( где
Обычно стараются проводить эксперимент таким образом, чтобы исключить (или существенно минимизировать) диффузионную разность потенциалов. На рис. 2. приведен гальванический элемент с электролитическим ключом. Электролитический ключ, заполненный KCl, позволяет исключить (элиминировать) диффузионную разность потенциалов, т.е. в этом случае
Условно гальванический элемент с уменьшенным с помощью солевого моста диффузионным потенциалом изображается схемой
В этом случае ЭДС элемента представляет собой сумму следующих скачков потенциалов:
По закону Вольта
что позволяет уравнение (5) записать в виде суммы трех скачков потенциалов:
Из уравнения (6) следует, что материал соединительных проводов не влияет на величину ЭДС. Экспериментально можно определить только ЭДС цепи, т.е. разность электродных потенциалов, но измерить абсолютное значение электродного потенциала для каждого электрода невозможно. Задача практического определения электродного потенциала была решена с использованием условной шкалы, в которой потенциалы электродов сопоставляют с потенциалом условно выбранного электрода сравнения. Для водных растворов наибольшее распространение получила условная водородная шкала. Современное определение электродного потенциала − это ЭДС электрохимического элемента, составленного из исследуемого и стандартного водородного электродов, при условии, что диффузионный потенциал, возникающий на границе двух растворов, устранен. Электродвижущую силу любого гальванического элемента можно рассчитать, используя электродные потенциалы электродов, из которых этот элемент составлен. Например, рассчитаем ЭДС гальванического элемента, представленного схемой (4). Запишем для этого два дополнительных гальванических элемента I и II, ЭДС которых равны условным электродным потенциалам электродов. Они будут составлены следующим образом: I. Стандартный электрод II. Стандартный электрод Слева будет расположен условный электрод сравнения Выразим электродвижущие силы гальванических элементов I и II через скачки потенциалов: Найдем разность между ЭДС этих дополнительных ГЭ:
С учетом того, что получим
Из сравнения уравнений (6) и (7) следует, что
В качестве условного электрода сравнения используют водородный электрод, изображенный на рис. 3 (1 - сосуд; 2- испытуемый раствор; 3 - платиновый электрод; 4 - стеклянный тубус с колоколом; 5 - токоподвод).
Рис. 3
Схематично водородный электрод изображают так:
Если Запишем теперь схему гальванического элемента, ЭДС которого равна электродному потенциалу электрода Mez+| Me. В элементе протекает реакция
При условии, что В литературе наблюдается многообразие форм записи как электродных потенциалов, так и самих электродов и гальванических элементов. Так условные электродные потенциалы могут обозначаться Материал о классификации электродов приведен во многих учебных пособиях и мы не будем на нем останавливаться подробно. Но следует отметить, что в разных учебниках наблюдается различие в формах записи электродов. Поэтому при написании теоретической части курсовой работы нужно не просто найти подходящий материал, но и изложить его в терминах и обозначениях единых по всей курсовой работе − в таких, которые используются в данных методических указаниях. Опираясь на классические, рекомендованные министерством образования учебники [1, 2], будем обозначать электроды следующим образом: электрод первого рода: электрод второго рода: газовый электрод: окислительно-восстановительный электрод: простой: Ox, Red | Pt; сложный: Ox, Red, H+| Pt. Стандартные условные электродные потенциалы при 298 К приводятся в справочниках. Все необходимые для расчетов курсовой работы электродные потенциалы приведены в Приложении.
|