Концентрационные цепи
Концентрационные цепи – это гальванические элементы, в которых электроды одинаковы по своей природе, но различаются активностями (давлениями, концентрациями) одного или нескольких участников электродной реакции. Электрическая энергия в этих элементах получается за счёт выравнивания концентраций или давлений между различными частями электрической цепи. Концентрационные элементы могут быть без переноса ионов и с переносом ионов.
Концентрационные цепи без переноса ионов
Концентрационными цепями без переноса ионов называются элементы:
а) с одинаковыми электродами и двумя одинаковыми по природе, но разными по концентрации растворами электролитов (между растворами отсутствует непосредственное соприкосновение);
б) с электродами из двух сплавов (амальгам), одинаковых по природе, но разных по концентрации (с одними ионами электролита);
в) с газовыми электродами, одинаковыми по природе, но с разными давлениями газов на электродах (с одним раствором электролита).
а) Концентрационный гальванический элемент без переноса ионов, составленный из одинаковых электродов в растворах одного и того же электролита, но разных концентраций представляет собой гальванический элемент, составленный из двух полуэлементов (химических цепей), соединенных навстречу друг другу. ЭДС такого элемента возникает за счет выравнивания активностей электролитов.
Примером такого элемента может служить цепь:
(–) Zn / ZnCl2(aq) / Hg2Cl2, Hg, Hg2Cl2 / ZnCl2(aq) / Zn (+)
Если
в левом полуэлементе раствор ZnCl2
разбавленный, а в правом, отделенном от
левого непроницаемой перегородкой,
более концентрированный (
),
то в левом
полуэлементе
самопроизвольно пойдут процессы:
;
.
Cуммарная реакция, протекающая при работе левого полуэлемента:
ЭДС левого полуэлемента будет равна:
,
где
.
В правом полуэлементе пойдут процессы:
;
.
Cуммарная реакция, протекающая при работе правого полуэлемента:
.
ЭДС правого полуэлемента будет равна:
,
где .
Суммарный процесс в концентрационном элементе без переноса ионов будет сводиться к реакции:
Таким образом, суммарный процесс в таком элементе заключается в выравнивании активностей растворов хлорида цинка за счет электрохимических реакций на электродах.
Общая ЭДС гальванического элемента:
Таким образом, чем больше разница в активностях электролита, тем больше ЭДС концентрационного гальванического элемента.
б) Концентрационный гальванический элемент с электродами из двух сплавов (амальгам), одинаковых по природе, но разных по концентрации (с одним ионом электролита). В таких элементах ЭДС возникает за счет выравнивания активностей металла в сплаве (амальгаме). Примером амальгамного концентрационного элемента без переноса может служить цепь:
(–) Zn (Hg) / Zn2+ / Zn (Hg) (+)
ЭДС такого элемента будет равна:
в) Концентрационный гальванический элемент с газовыми электродами, одинаковыми по природе, но с разными давлениями газов на электродах (с одним раствором электролита). ЭДС возникает за счет выравнивания давлений газов. Примером газового концентрационного элемента без переноса может служить цепь:
(–) Pt, H2 / H2+ / H2, Pt (+)
ЭДС такого элемента будет равна:
Пример 5.15. Рассчитайте при 298 К ЭДС элемента
(–)Pt, H2 / HCl(aq) / АgCl, Аg, АgCl / НCl(aq) / Н2, Pt (+)
= 0,01М =0,1М
Средний коэффициент активности HCl в 0,01 М растворе равен 0,905, а в 0,1 М – 0,88.
Решение:
Имеем концентрационный гальванический элемент без переноса. В этом элементе ЭДС возникает за счет выравнивания активностей HCl.
ЭДС правого полуэлемента:
,
где
.
ЭДС левого полуэлемента:
,
где .
Общая ЭДС гальванического элемента:
