Лекція № 12

Тема: Поняття про гальванічний елемент, електродний потенціал, формула Нернста.

Мета: Навчитися складати гальванічні елементи, визначати електродні потенціали, ЕРС гальванічних елементів. Користуватися рядом напруги металів.

Електрорушійні сили. Гальванічний елемент.

Електродні процеси виникають у гальванічних елементах. Якщо взяти будь-яку металеву пластинку і покласти її у воду, то вона обов'язково заряджається. У вузлах металевої кристалічної решітки знаходяться позитивні іони, навколо яких хаотично рухаються електрони. При попаданні у воду позитивні іони у вигляді гідратів уходять у розчин. Електрони, які залишились, заряджують пластинки негативно. Навколо пластинки утворюється подвійний електричний шар. Дві різні пластинки заряджені неоднаково. Більш або менш активний метал можливо знайти у ряді активності металів.

Чим вище метал, тим він активніше, чим нижче - тим менш активний.

Більш активний метал розчиняється краще, на ньому скуплюються більше електронів. Менш активний метал розчиняється погано, на ньому скуплюється менше електронів.

Якщо такі пластинки з'єднати проводом, то електричний струм піде від більш активної пластинки до менш активної, але довго такий електричний струм існувати не може, так як у подвійному електричному шарі наступає рівновага.

Сутність рівноваги - скільки іонів уходить у розчин, стільки їх повертається. Для того, щоб електричний струм довго існував у гальванічному елементі, рівновагу треба змістити. Це зробили російський вчений Якобі і англійський Даніель. Вони зробили це, зануривши металеві пластинки у розчини своїх солей: мідну - у CuSO₄, цинкову - у ZnSO₄. Таке коло називають хімічним колом. Тут більш активна цинкова пластинка розчиняється , менш активна – мідна, на цьому електроді відбувається процес відновлення міді із розчину. Завдяки цьому потік електронів йде від цинкової пластинки до мідної. На мідній пластинці завдяки притоку електронів іони міді приєднують ці електрони і відновлюють до нейтральних атомних, осаджуючись на пластинці. Залишок іонів SO₄^2-, які утворились у розчині CuSO₄ переходять крізь напівпроникну перегородку, яка розділяє розчини CuSO₄ і ZnSO₄, у розчині ZnSO₄. Завдяки цьому збільшується процес розчинення цинкової пластинки.

Схема гальванічного елемента, що складається з 2 срібних пластинок, занурених у розчини своїх солей AqNO₃ з різною концентрацією.

Будемо вважати, що концентрація С₁ > С₂. В даному гальванічному елементі виникає електричний струм. Пластина, яка занурена в розчин з меншою концентрацією буду мати негативний заряд, а пластина, яка занурена в розчин з більшою концентрацією – позитивний. Де менша концентрація розчину, там більше вільних молекул води, там краще буде розчинятися металева пластинка і тим більше скупчиться електронів і електрони будуть йти від того місця, де їх більше, туди, де їх менше. Таке коло називають концентраційним гальванічним елементом.

Гальванічний елемент, в якому джерелом енергії є не хімічна реакція, а робота вирівнювання іонів називається концентраційним. Він складається з двох однакових електродів, занурених в розчини з різною концентрацією іонів.

Наприклад:

Сu | CuSO₄ CuSO₄  Сu, або Ag | AgNO₃  AgNO₃ | Ag,

а₁ а₂ а₁ а₂

де, a₁ < а₂

Електрод, який знаходиться в більш розчиненому розчині, розчиняється та його іони переходять у розчин. Сам електрод при цьому заряджується негативно. На електроді, зануреному в більш концентрований розчин, осаджуються іони металу з розчину, та він заряджується позитивно. Таким чином, на обох електродах проходять процеси, які призводять до вирівнювання концентрації іонів у розчинах.

Потенціали електродів дорівнюють:

Е₁ = Е₁° + RT/nF ln a₁

Е₂ = Е₂° + RT/nF In a₂

Е₂° = E₁°

Віднімаючи перше рівняння з другого, отримаємо рівняння для електрорушійної сили концентраційного елементу :

Е = Е₂ – Е₁ = RT/nF  In a₂/a₁

Е = 0,059 / n  ln а₂ /а₁

Концентраційний елемент буде працювати до тих пір, поки активності іонів у розчинах не зрівняються ; при а₁ = а₂ його ЕРС = 0. Різниця електричних потенціалів виникає при контакті двох розчинів електролітів, якщо вони відрізняються концентрацією або природою розчиненої речовини. Внаслідок різності швидкості дифузії іонів у розчинах виникає дифузійна різність потенціалів чи дифузійний потенціал.

Наприклад: При контакті двох розчинів хлороводневі кислоти різних концентрацій позитивно заряджається більш розчинений розчин, оскільки іони Н⁺ рухаються швидше ніж іони СІ^- та з більшою швидкістю переходять з концентрованого розчину у розчинений.

Окислювально–відновні гальванічні елементи складається з пластинок, які занурюють у розчини їх солей. Виникнення електричного струму в таких елементах є за рахунок окислювально-відновних реакцій. Платинові електроди (пластинки, занурені у розчини) служать тільки для передачі електронів, Е.Р.С. будь-якого гальванічного елемента знаходять за формулою :

Е = Е₁ – Е₂

де, Е - Е.Р.С. гальванічного елемента

Е₁ і Е₂ - потенціали, які виникають на електродах

Е₁ - потенціал з більшою алгебраїчною величиною

Е₂ - потенціал з меншою алгебраїчною величиною.

Потенціал Е знаходять за формулою Нернста:

Де, Е₀ - нормальний потенціал із таблиці

n - валентність металу в розчині солі

С - концентрація розчину, у який занурили електрод

Окислювальне - відновні електроди використовуються тільки в тих випадках, коли метал електроду не бере участі в окислювально- відновному процесі, при роботі елементу він не змінюється, а служить тільки переносником електродів.

Потенціал окислювального-відновного електрода залежить від співвідношення активностей окислювальної та відновної форми даної речовини. Чим більше стандартний окислювальне - відновний потенціал, тим вища активність окислювача в цій системі, і тим в більшому ступені виражені їх окислювальні властивості.

Нормальним називають такий потенціал, який виникає на електроді, який занурили у розчин своєї солі з концентрацією 1г іон-металу на 1л розчину.

Усі нормальні потенціали металів можна знайти у таблиці " Нормальні електродні потенціали. "

Будь-який гальванічний елемент можливо виразити формулою, цю формулою називають схемою.

(-) Zn/ZnSO₄//CuSO₄/Cu ( + )

( + )Ag/A_gN0₃//AgN0₃/Ag(-)

C₁ C₂

де, С₁ >С₂

Нормальний елемент ( елемент Вестона ) - такий елемент, у якого Е.Р.С. завжди постійна, у яких відома рецептура виготовлення.

Елемент Вестона - це ртутно-кадмієвий елемент. Використовують такий елемент у лабораторних умовах для порівняння.

Стандартними називають такі електроди, потенціал яких не змінюється.