8. Гальванические элементы
Энергию, выделяющуюся в любой самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции, можно непосредственно использовать для выполнения электрической работы. Это осуществлено в гальваническом элементе, представляющем собой устройство, в котором перенос электронов происходит по внешнему пути, а не непосредственно между реагентами.
Два металлических элемента, соединенных внешней цепью, называются электродами. Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом, а электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом.
При схематическом изображении гальванического элемента граница раздела между металлом и раствором обозначается вертикальной чертой, граница между растворами электролитов двойной вертикальной чертой. Например, схема гальванического элемента, в основе работы которого лежит реакция
Zn+Cu(NO3)2=Zn(NO3)2+Cu
изображается следующим образом
В данном случае металлические электроды непосредственно участвуют в реакции.
На аноде цинк окисляется
Zn02
=Zn2+
и в форме ионов переходит в раствор, а на катоде медь восстанавливается
Cu2++2 =Cu0
и в виде металла осаждается на электроде.
Складывая уравнения электродных процессов, получаем суммарное уравнение реакции:
Zn+Cu2+=Zn2++Cu
Гальванический элемент можно рассматривать как источник “движущей силы”, перемещающей электроны по внешней цепи от анода к катоду. Эта движущая сила называется электродвижущей силой (э.д.с.) и измеряется в вольтах (В). Если реакция осуществляется в стандартных условиях, т.е., если все вещества, участвующие в реакции, находятся в своих стандартных состояниях, то наблюдаемая при этом э.д.с. называется стандартной электродвижущей силой Е0 данного элемента.
Э.д.с. гальванического элемента может быть представлена как разность двух электродных потенциалов , каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на одном из электродов.
Е=к-А (8.1)
На практике гальванические элементы редко действуют при стандартных условиях. Однако э.д.с. элемента, работающего при нестандартных условиях, можно вычислить по Е0, температуре и концентрациям реагентов и продуктов в гальваническом элементе. Уравнение, позволяющее проводить такие расчеты, получило название уравнения Нернста:
Ме/Меn+=0+
lg[Men+]
(8.2)
где 0 стандартный электродный потенциал, В; n степень окисления элемента; [Men+] концентрация металла, участвующего в соответствующей полуреакции.
Концентрацию металла рассчитываем по следующей формуле:
[Men+]=kCм (8.3)
где k количество ионов металла в одной молекуле соли; См молярная концентрация металла в растворе соли, ; степень диссоциации электролита, д.ед.
Гальванический элемент может быть составлен не только из различных, но и из одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, различающиеся только концентрацией (концентрационные гальванические элементы). Э.д.с. такого элемента также равна разности потенциалов составляющих его электродов.