Тема 9. Электрохимические процессы

9.1 Гальванический элемент

Гальваническим элементом называется система, в которой энергия химической реакции окисления-восстановления превращается в энергию электрического тока. Эта система состоит из двух электродов.

Электродом в электрохимии принято называть любой металл, погруженный в воду или раствор любого электролита. Чаще всего на практике рассматривается система, состоящая из металла и раствора соли, содержащей ионы данного металла. Если пластинку металла (Ме) погрузить в раствор, содержащий его ионы, то между металлом и раствором возникает разность потенциалов, которая называется электродным потенциалом и обозначается буквой  (фи). Электродный потенциал зависит от природы металла, концентрации ионов в растворе и от температуры. Абсолютное значение электродного потенциала измерить невозможно, измеряют относительное значение потенциала. В качестве электрода сравнения берут потенциал водородного электрода, который условно принимается равным нулю:

_{Н /2Н}⁺ = 0.

При измерении относительных значений электродных потенциалов металлов составляется гальванический элемент из испытуемого электрода и водородного, и измеряется ЭДС этого элемента.

Так как потенциал водородного электрода равен нулю, то показания прибора, измеряющего ЭДС гальванического элемента, дадут значение потенциала металла.

Электродный потенциал, измеренный при стандартных условиях: Т = 298 К, р = 101,3 кПа; С_М = = 1 моль/л, называется стандартным и обозначается .

По значениям  составлен ряд стандартных электродных потенциалов (приложение 5), который используется при расчетах ЭДС гальванических элементов. Ряд стандартных электродных потенциалов дает количественную характеристику активности металлов. Стандартные электродные потенциалы, расположенные по возрастанию , дают характеристику восстановительной активности атомов металлов (Ме) и окислительной активности ионов (Меⁿ⁺). Чем меньше , тем активнее металл, сильнее выражены его восстановительные свойства.

Зависимость электродного потенциала от концентрации ионов металла в растворе и температуры описывается уравнением Нернста:

0,059

 =  + ^{________ .} lg C_Meⁿ⁺

n

где  - стандартный электродный потенциал; n - число электронов, участвующих в окислительно-восстановительном процессе; С_Meⁿ⁺ или [Меⁿ⁺] - концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

АНОД - электрод, на котором идет процесс окисления. Анодом в гальваническом элементе служит более активный металл, который отдает электроны, имеет более отрицательный потенциал и заряжается отрицательно.

КАТОД – электрод, на котором идет процесс восстановления. Катодом в гальваническом элементе является менее активный металл, он заряжается положительно.

Обосновать возможность работы гальванического элемента можно расчетом G суммарной реакции окисления - восстановления, которая лежит в основе работы гальванического элемента. Если свободная энергия системы уменьшатся, т.е. G  0, то такой элемент будет работать. Расчет G ведут по уравнению: G = - z FE,

где z - число электронов, участвующих в реакции; F - число Фарадея, 96500 Кл; Е - ЭДС гальванического элемента, В.

Е (ЭДС) =  _катода - _анода