Гальванические элементы. ЭДС гальванического элемента

Гальванические элементы – это устройства для получения электрического тока за счет химических реакций, протекающих на электродах. При этом на электродах возникают разные по величине равновесные потенциалы, разность которых определяет электродвижущую силу (ЭДС) данного элемента.

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух металлических пластин, погруженных в раствор электролита. В такой системе окисление протекает на одном металле, а восстановление на другом. Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом; электрод, на котором происходит восстановление – катодом.

В качестве примера рассмотрим медно-цинковый гальванический элемент, который называют элемент Даниэля-Якоби. Этот элемент состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди, и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка. Для предупреждения смешивания (диффузии) растворов между ними помещают солевой мостик (концентрированный раствор нейтральной соли, например КСl)

Чтобы выяснить какой из электродов будет анодом, а какой катодом, надо сравнить значения их стандартных электродных потенциалов (Е⁰). Электрод, у которого Е⁰ меньше, будет анодом. В гальваническом элементе Даниэля-ЯкобиЕ⁰_Zn2+_/Zn < Е⁰_Cu2+_/Cu, поэтому цинковый электрод будет анодом.

Поэтому на цинковом электроде происходит окисление, а на медном электроде происходит восстановление:

Zn - 2е ^– → Zn²⁺ (3.3)

Сu²⁺ + 2е ^– → Cu (3.4)

9.

Гальванический элемент принято записывать в виде электрохимической схемы (на примере элемента Даниэля-Якоби):

Zn | ZnSO₄ || CuSО₄ | Cu

Сплошная вертикальная линия | обозначает границу металл – раствор, а двойная вертикальная || обозначает границу раздела между разными растворами электролитов, т.е. в данном случае солевой мостик. Гальванический элемент принято записывать так, чтобы анод находился слева.

Потенциал электрода рассчитывают по формуле Нернста:

(3.5)

где - электродный потенциал металла (М) в растворе, содержащем катионы (Мⁿ⁺);

- стандартный или нормальный потенциал рассматриваемой системы;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль× К);

Т - термодинамическая температура, К;

n – число электронов, участвующих в электродном процессе;

F - число Фарадея, Кл/моль;

а - активность ионов металла в растворе. Для разбавленных растворов коэффициент активности близок к единице и вместо активности можно пользоваться концентрацией ионов в растворе.

Если в уравнение (3.5) подставить значения постоянных R, F, принять температуру для стандартных условий (Т⁰ = 298К) и перейти от натуральных к десятичным логарифмам, получим:

(3.6)

Из уравнения (3.6) следует, что стандартный электродный потенциал (E⁰) – это потенциал электрода при стандартных условиях: , Т=298 К.

Стандартные потенциалы различных металлов, измеренные по отношению к потенциалу стандартного водородного электрода, образуют ряд напряжения металлов (приложение 2).

При расчете ЭДС гальванического элемента от большего электродного потенциала вычитают меньший. Например, ЭДС элемента Даниэля-Якоби:

(3.7)

Рассмотрим пример решения задачи по расчету ЭДС гальванического

элемента (в контрольной работе № 1 это задача № 2)

Задача №2 (а) Вычислите ЭДС цинково-оловянного гальванического элемента, если образующие его электроды опущены в растворы солей с одинаковой активностью катиона.

Решение. Для решения задачи воспользуемся уравнением (3.7). Из этого уравнения ЭДС рассматриваемого гальванического элемента:

Поскольку электроды, образующие гальванический элемент опущены в растворы солей с одинаковой активностью катиона, то . Поэтому . Значения стандартных электродных потенциалов цинка и олова можем взять из ряда напряжения металлов (приложение 2). Тогда ЭДС цинково-оловянного гальванического элемента:

Задача №2 (б) Вычислите ЭДС серебряно-кадмиевого гальванического элемента, в котором активности ионов Ag⁺ и Cd⁺ соответственно равны 0, 1 и 0, 005 моль/дм³.

Решение. Для нахождения ЭДС серебряно-кадмиевого гальванического элемента необходимо вычислить потенциалы отдельных электродов. Их можно найти с помощью уравнения Нернста (3.6).

В соответствии с уравнением Нернста потенциал серебряного электрода:

Значение известно (приложение 2), n = 1, т.к. в электродном процессе участвует только один электрон. Тогда:

Для кадмиевого электрода можно записать уравнение:

Значение также известно (приложение 2), а n = 2, т.к. в электродном процессе участвует два электрона. Тогда потенциал кадмиевого электрода:

При расчете ЭДС гальванического элемента от большего электродного потенциала вычитают меньший:

Вопросы к контрольной работе №2

1. Дисперсность и классификация коллоидных систем.

2. Поверхностное натяжение и смачивание. Адгезия.

3. Адсорбция. Изотерма адсорбции. Природа адсорбционных сил. Теория

Ленгмюра.

4. Адсорбция на границе раствор- газ. Уравнение Гиббса. Правило Дюкло-

Траубе.

5. Адсорбция на границе твердое тело – раствор. Молекулярная, ионная и

ионообменная адсорбция.

6. Седиментационный анализ суспензий. Теоретические основы седимента-

ционного анализа.

7. Электрокинетические свойства коллоидных систем.

8. Двойной электрический слой и строение мицеллы.

9. Электрофоретический метод определения электрокинетического

потенциала.

10.Теоретические основы адсорбции на границе жидкость-газ.

Перечень вопросов к контрольной работе № 2 для каждого варианта

Таблица 5