4. Ряд стандартных электродных потенциалов (сэп)

Расположив металлы в ряд по мере возрастания алгебраической величины их стандартных электродных потенциалов E получают ряд СЭП.

Свойства ряда напряжений:

1) Чем меньше величина E металла, тем легче он отдает электроны (окисляется) и тем труднее его ионы присоединяют их обратно (восстанавливаются.

Положение лития и натрия в ряду напряжений не соответствует их активностям в металлическом состоянии. Это связано с большими значениями энергий гидратации этих металлов.

2) Каждый предыдущий металл активнее последующего и поэтому может вытеснять его из растворов солей:

Пример. Опыт «Сатурново Дерево».

3) Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, могут вытеснять его из растворов кислот, у которых функцию окислителя выполняет катион водорода (HCl – разбавленная и концентрированная, H₂SO₄ – разбавленная).

4) Чем дальше металлы находятся друг от друга в ряду напряжений, тем выше значений ЭДС гальванического элемента, сконструированного на их основе.

5. Гальванический элемент

Гальванический элемент – это устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую.

5.1. Гальванический элемент Даниэля-Якоби

Рассмотрим систему, в которой не один, а два каких-нибудь металла, например цинк и медь, в виде пластинок опущены в растворы своих солей.

Пусть концентрации солей взяты такими, чтобы ионы Zn²⁺ переходили из металла в раствор, а ионы Си²⁺ - из раствора на металлическую пластинку. В этом случае на цинковой пластинке будет избыток электронов, а на медной - избыток положительных ионов (или, что-то же самое, недостаток электронов)

Если пластинки соединить металлическим проводником, то из­быточные электроны с цинковой пластины начнут переходить на медную пластину. Это нарушает равновесие двойного электрического слоя на обеих пластинах. Поэтому с цинковой пластины выделится вновь некоторое число ионов Zn²⁺ в раствор, а на медной пластике разрядится соответствующее число ионов Си²⁺.

В результате снова возникает разность потенциалов между пластинами, снова часть электронов с цинковой пластины перейдет по металлическому проводнику на медную и т.д.

Таким образом, возникает самопроизвольно протекающий процесс, при котором цинковая пластина растворяется, а на медной разряжаются ионы Си²⁺ и выделяется металлическая медь. В результате этого процесса во внешнем проводнике, соединяющем пластины, возникает электрический ток.

Рассмотренный принцип и лежит в основе работы любого гальванического элемента, т.е. устройства, дающего возможность получать электрический ток за счет проведения той или иной химической реакции.

В основе работы всякой гальванической цепи лежит окислительно-восстановительное реакция, проводимая так, что на отрицательном электроде происходит окисление, а на положительном - восстановление.

Так, в основе рассмотренного выше элемента (элемент Якоби) лежит реакция

Zn + Си²⁺ = Zn²⁺ + Cu

Или Zn + CuSО₄ = ZnSО₄ +Cu

Проводя эту реакцию в гальваническом элементе, мы разделяем процессы окисления и восстановления, осуществляя их на различных электродах. На отрицательном электроде происходит окисление цинка

Zn – 2e = Zn²⁺;

на положительном - восстановление меди

Си²⁺ + 2e = Cu.

Схематически происходящие процессы можно выразить следующим образом.

Схема гальванического элемента:

Электрическая работа, получаемая с помощью гальванического элемента зависит от условий, в которых работает элемент, и будет наибольшей, когда элемент работает в условиях, наиболее близких к обратимым. В этих условиях разность потенциалов между электродами элемента максимальна.

Наибольшая разность потенциалов данного элемента (т.е. разность потенциалов при обратимых условиях его работы) называется его электродвижущей силой и обозначается Э.Д.С.

Э.д.с. гальванического элемента равна алгебраической сумме отдельных разностей (скачков) потенциала, существующих на поверхностях раздела между различными фазами, образующими элемент.

Принято Э.Д.С. считать положительной для нормально работающего элемента, т.е. для того направления реакции, в котором она протекает самопроизвольно и отрицательной для обратного направления реакции.

ЭДС гальванического элемента вычисляется по формуле:

ЭДС гальванического элемента пропорциональна совершаемой им работе и поэтому всегда положительна; ее вычисляют, вычитая из большего значения потенциала меньшее.

Стандартная ЭДС гальванического элемента (обозначим ее для краткости ) связана со стандартной энергией Гиббса протекающей в гальваническом элементе реакции следующим соотношением:

где – число электронов, участвующих в процессе, - стандартная ЭДС гальванического элемента, – число Фарадея.