Лекция 15 Гальваникалық элемент

Гальваникалыќ (немесе электрхимиялыќ) элемент деп электролит ерітіндісіне батырылѓан екі электродтан т±ратын, электродтар электролиттен тыс (сыртќы тізбекте) металл µткізгіші арќылы бір-бірімен жалѓасќан кезде сол сыртќы тізбекте электр тогы пайда болатын ж‰йені айтады.

Гальваникалыќ элементтіњ схемасын шартты т‰рде жазу

Гальваникалыќ элементтіњ схемасын шартты т‰рде жазѓанда алдымен бір электродтыњ материалы жєне сол электрод батырылѓан электролит ерітіндісі, содан соњ екінші электрод батырылѓан электролит ерітіндісі мен электродтыњ µзі жазылады. Электродтар ерітіндіден бір вертикал сызыќпен, ал егер ерітінділер арасында потенциал тумаса екі ерітінді бір-бірінен екі вертикал сызыќпен, ал егер туатын болса бір пунктир сызыќпен бµлініп жазылады. Мысалы, мыс-мырыш элементініњ схемасы былай жазылады:

(-)ZnZnSO₄CuSO₄Cu(+),

c₁ c₂

м±нда (+) жєне (-) тањбалары электродтыњ полюстерін кµрсетеді; С₁ жєне С₂ - ерітінділердіњ концентрациясы.

Екі ерітінді арасында потенциал айырымы туатын жаѓдайда элемент былай жазылады:

(-)ZnZnSO₄ CuSO₄Cu(+)

c₁ c₂

Электродтыќ реакцияѓа ќатысатын иондар арќылы элементтіњ схемасы жењілденіп былай жазылады:

(-)ZnZn²⁺Cu²⁺Cu(+)

Қайтымды гальваникалық элемент үшін ток әрқашан солдан оңға қарай жүру және соңында бір металл болу керек.

Даниэль - Якоби элементі

Мыс-мырыш элементініњ (Даниэль - Якоби элементі) ќ±рылысы суретте кµрсетілген.

1. - Кеуекті диафрагмма; 2 - цилиндр тєрізді мырыш электроды; 3 - мыс электроды.

Сурет. Даниэль-Якобидіњ мыс-мырыш элементі

Электродтар сыртќы тізбекте бір-бірімен жалѓасќан кезде мыс электродында тотыќсыздану, мырыш электродында тотыѓу реакциялары ж‰реді:

Cu²⁺+2e^-Cu

ZnZn²⁺+2e

Мырыш электродында ж±псыз ќалѓан электрондар сыртќы тізбекпен мыс электродына ќарай µтіп мысты тотыќсыздандырады. Гальваникалыќ элемент ж±мыс істеп т±рѓан кезде ерітіндіе (ішкі тізбекте) электр тогы мыс жєне мырыш иондарымен мырыш электродына ќарай, ал сульфат иондарымен мыс электродына ќарай тасымалданады.

Мыс жєне мырыш электродыныњ тепе-тењдік потенциалдарыныњ мыс пен мырыш активтіліктеріне тєуелділігі Нернст тењдеуімен µрнектеледі:

Гальваникалыќ элементтіњ электрќозѓаушы күші. Стандартты ЭҚК

Гальваникалыќ элементтіњ электродтарыныњ тепе-тењдік потенциалдарыныњ айырмасы осы элементтіњ электрќозѓаушы к‰ші (Е) деп аталады (ќысќаша ЭЌК). Даниэль-Якоби элементі үшін:

немесе

,

м±нда - элементтіњ стандартты электрќозѓаушы к‰ші деп аталады, ол Cu²⁺ жєне Zn²⁺ иондарыныњ активтілігі 1-ге тењ болѓан кездегі ќайтымды ж±мыс жасайтын электродтардыњ стандартты потенциалдарыныњ айырмасына тењ.

Электрќозѓаушы к‰ш жєне ЭЌК єр уаќытта оњ шама болатындыќтан, оњ электродтыњ потенциалынан теріс электродтыњ потенциалы алынып тасталады.

Гальваникалыќ элементтіњ термодинамикасы

Гальваникалыќ элементке арналған Нернст теңдеуін шығару

Егерде электрхимиялыќ элементте тµмендегідей ќайтымды жєне изотермиялыќ реакция ж‰ретін болса:

,

онда Р=const жаѓдайда осы реакцияныњ Гиббс энергиясы G электр энергиясына тењ болады:

Осыдан

Сонымен ќатар, реакцияныњ Гиббс энергиясы

,

ал болатындыќтан:

мұнда .  - стехиометриялық коэффициенттер, бастапқы зат үшін теріс таңбамен, ал өнім үшін оң таңбамен алынған. Сонда теңдеу мына т‰рде жазылады:

Тепе-тењдік жаѓдайда берілген Р жєне Т мєндерінде G=0, сондыќтан

,

Реакцияныњ барлыќ компоненттерініњ активтілігі бірге тењ (a_і=1) болѓан жаѓдайда , м±ндаѓы G₀ - Гиббс энергиясыныњ стандартты мєні. Сонда

,

м±нда К_а - реакцияныњ тепе-тењдік константасы.

Осыдан:

немесе

Егер a_і = 1 болѓан жаѓдайда , мұнда Е⁰ - стандартты электрќозѓаушы к‰ш, олай болса:

немесе

Б±л тењдеу гальваникалыќ элементтіњ электрќозѓаушы к‰шініњ Нернст тењдеуі деп аталады.

Қайтымды жєне ќайтымсыз гальваникалыќ элементтер

Гальваникалыќ элементтер ќайтымды жєне ќайтымсыз элементтер болады. Егер гальваникалыќ элементке сырттан тоќ жіберілгенде ондаѓы реакция кері баѓытта ж‰ретін болса, ондай элемент ќайтымды деп есептеледі. Сырттан жіберілетін тоќтыњ ЭЌК-і гальваникалыќ элементтіњ ЭЌК-інен сєл артыќ болуы керек. Ќайтымды элементке мысал ретінде Даниэль-Якоби элементін айтуѓа болады:

(-) ZnZnSO₄CuSO₄Cu (+)

Элементте ж‰ретін реакция:

Zn + CuSO₄  Cu + ZnSO₄

Элементке оныњ ЭЌК-іне ќарсы баѓытталѓан сыртќы ЭЌК-пен єсер еткенде кері реакция ж‰реді:

Cu + ZnSO₄ CuSO₄+ Zn,

демек мыстыњ еруі (тотыѓуы), мырыштыњ тотыќсызданып ерітіндіден бµлінуі байќалады.

Ќайтымсыз элементке мысал ретінде

(-) ZnCuSO₄Cu (+)

элементін айтуѓа болады. Элементте µтетін реакция:

Zn + CuSO₄ ZnSO₄+Cu

Егер б±л элементке сырттан тоќ жіберілсе мыстыњ мыс электродында еруі, мырыш электродында ерітіндіден бµлінуі байќалады, демек б±л процесс гальваникалыќ элементте ж‰ретін процеске ќарама-ќарсы болмайды.