3.13 Гальванические элементы

Гальваническими элементами называют устройства, в которых энергия химической реакции преобразуется в электрическую.

Основу работы любого гальванического элемента составляют окислительно-восстановительные процессы, причем реакции окисления и восстановления, протекающие на электродах, пространственно разделены. Тот электрод, на котором происходит процесс окисления, называется анодом, восстановления – катодом. Значение электродного потенциала катода (Е_К) для работающего гальванического элемента выше, чем у анода (Е_А). Каждый из электродов помещен в свое электродное пространство, содержащее ионный проводник. Движение ионов из одного электродного пространства в другое возможно за счет наличия пор в перегородке или солевого мостика, при этом непосредственного перемешивания ионных проводников не происходит.

Электродвижущая сила (ЭДС) элемента определяется разностью потенциалов катода и анода: ЭДС = Е_К – Е_А. Значение величины электродного потенциала зависит от ряда факторов и рассчитывается по уравнению Нернста:

,

где n – число электронов, участвующих в процессе;

E⁰ – стандартная величина электродного потенциала, т.е. потенциал электрода при концентрациях окисленных и восстановленных форм, равных единице;

С- концентрация ионов металла, моль/л.

Одними из наиболее простых гальванических элементов являются устройства из двух металлических электродов, помещенных в растворы своих солей. Таким является, например, прибор из пластин никеля в 1М растворе NiSO₄ и серебра в 0,1М растворе AgNO₃.

,

= + lg 10^–1 = 0,799 – 0,059 = 0,74(в).

Так как › , то серебро является катодом, а никель – анодом.

А (–) : Ni – 2ē → Ni²⁺ 1

К (+) : Ag⁺ + ē → Ag⁰ 2

Ni + 2Ag⁺ → Ni²⁺ + 2Ag

Электроны при замыкании внешней цепи движутся от никеля к серебру. Схема данного гальванического элемента имеет следующий вид:

А (–) Ni│NiSO₄││AgNO₃│Ag (+) K.

Гальванический элемент может работать, если он составлен из одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, но с разной концентрацией (концентрационный гальванический элемент). Для них значение ЭДС можно рассчитать по формуле:

ЭДС = lg , а схема имеет вид:

А (–) металл│электролит (С₁) ││электролит (С₂)│металл (+) K.

С₁ ‹ С₂ .

Контрольные задания:

121. Рассчитать электродные потенциалы магния в растворах его соли при концентрациях иона Mg²⁺ 0,1; 0,01; 0,001моль/л.

122. Составить уравнения реакций, протекающих на электродах следующих гальванических элементов: Mg│Mg²⁺││Pb²⁺│Pb; Pb│Pb²⁺││Cu²⁺│Cu; Cu│Cu²⁺││Ag⁺│Ag.

123. Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых медь служила бы катодом, а в другом – анодом. Составить уравнения реакций, происходящих при работе этих элементов и вычислить ЭДС при стандартных значениях.

124. Гальванический элемент состоит из серебряного электрода, погруженного в 1М раствор AgNO₃ и стандартного водородного электрода. Составить схему элемента, уравнения реакций, протекающих на электродах, и вычислить его ЭДС.

125. Чему равна ЭДС медно-цинкового гальванического элемента, если концентрации растворов ZnSO₄ и CuSO₄ соответственно равны 0,01 и 0,1моль/л?

126. Вычислить ЭДС концентрационного гальванического элемента, составленого из двух медных электродов, один из которых опущен в 0,001М раствор CuSO₄, другой – в 1М раствор CuSO₄.

127. Гальванический элемент состоит из стандартных цинкового и хромового электродов. Составить схему этого элемента и вычислить его ЭДС.

128. Может ли работать гальванический элемент, составленный из двух одинаковых металлов, опущенных в растворы из солей с одинаковой концентрацией катиона металла?

129. Вычислите ЭДС гальванического элемента, образованного двумя никелевыми электродами, находящихся в растворах NiSO₄ с концентрациями 0,01 и 0,0001 моль/л. Как называются элементы такого типа?

130. Составьте схему гальванического элемента, составленного из кобальтовой и железной пластин, опущенных в раствор их сульфатов. Вычислите ЭДС этого элемента, если [CoSO₄]=0,01 моль/л, а [FeSO₄]=0,0001 моль/л.