Лабораторная работа 1: Гальванический элемент. Определение ЭДС. Влияние концентрации растворов электролитов на ЭДС гальванического элемента.

Цель работы: овладеть методикой измерения ЭДС гальванического элемента, изучить зависимость ЭДС от активности потенциалопределяющих ионов, сравнить ход экспериментальной зависимости с теоретически рассчитанной по уравнению Нернста.

1.Теоретическая часть

Гальваническим элементом (ГЭ) называется электрохимическая система, в которой химическая энергия непосредственно превращается в электрическую. ГЭ (рис. 1) состоит из двух электродов 1 и 2 (катода К и анода А), погруженных в растворы электролитов (5 и 6),находящихся в отдельных сосудах (3 и 4) разделенных либо электролитическим ключом (7), либо диафрагмой, проницаемой для ионов. Внешняя цепь (8) может включать в себя потребитель энергии, измерительные приборы, металлические проводники.

При разомкнутой цепи в ГЭ на обоих электродах устанавливается равновесие, характеризуемое величиной соответствующих равновесных потенциалов Е^р.

Для металлических электродов в растворах собственных солей потенциалопределяющей является реакция:

M_(р)ⁿ⁺ + n M_(тв).

Уравнение Нернста для расчета потенциала металлического электрода имеет вид:

.

- равновесный потенциал металлического электрода

- стандартный потенциал (для активностей, равных 1)

- активность потенциалопределяющих ионов.

Активность твердой фазы принимают равной единице.

Катодом в электрохимии называется электрод, на котором происходят процессы

восстановления, то есть присоединения электронов. Анодом называется электрод, на

котором идут процессы окисления, то есть отдачи электронов.

В ГЭ процессы идут самопроизвольно, поэтому при замыкании цепи

отдавать электроны будет электрод с более отрицательным потенциалом, а принимать –

электрод с более положительным потенциалом.

Разность равновесных потенциалов катода и анода называют электродвижущей силой ГЭ:

.

Разность стандартных электродных потенциалов называют стандартной ЭДС ГЭ:

.

Таким образом, ЭДС ГЭ есть величина положительная.

Суммарная электродная реакция в ГЭ есть сумма полуреакций, идущих на аноде и на катоде и называется токообразующей реакцией (ТОР).

Электродвижущая сила элемента связана с энергией Гиббса ТОР уравнением:

,

где п – число электронов, участвующих в ТОР.

В общем случае, для токообразующей реакции :

bB + dD = lL + mM,

протекающей в ГЭ при стандартных состояниях веществ и Т = 298 К, энергия Гиббса рассчитывается по табличным значениям по уравнению:

.

Таким образом, стандартную ЭДС ГЭ можно определить двумя способами:

- первый способ - по уравнению ;

- второй способ - используя табличные значения стандартных потенциалов.

ЭДС гальванического элемента для ТОР при активности ионов, отличных от 1 моль/л, можно рассчитать из выражения:

,

где а_В, а_D, а_L , a_M, – активности веществ; b, d, l, m – стехиометрические коэффициенты ТОР. Для твердых веществ активности принимают равными единице.

Максимальная электрическая работа ГЭ определяется соотношением , поскольку .

Рис 1. Устройство классического гальванического элемента