Гальванические элементы

Гальванический элемент представляет собой электрохимическую систему, состоящую из двух электродов (любого типа), растворы которых соединены с помощью солевого мостика. Рассмотрим гальванический элемент, состоящий из двух электродов первого рода: цинкового и медного. На рис. 2. представлена схема такого элемента.

Рис.2. Гальванический элемент Даниеля-Якоби

Растворы сульфатов цинка и меди соединены между собой солевым мостиком - стеклянной трубкой, заполненной раствором хлорида калия. Солевой мостик препятствует смешиванию растворов, проводит электрический ток. Пока цепь разомкнута, на каждом из электродов существуют равновесия: Zn- 2ē  Zn2+ Сu - 2ē  Сu2+

Поскольку цинк является металлом имеющим наиболее электроотрицательный потенциал, чем медь ( Е⁰_{Zn / Zn}²⁺ = -0,76 В, Е⁰ _{Cu / Cu}²⁺ = 0,34 В), первое равновесие по сравнению со вторым смещено вправо, следовательно, на цинковом электроде имеется избыток электронов. Соединим металлические пластины проводником. Электроны будут перемещаться с цинковой пластины на медную - в цепи пойдет электрический ток, равновесие на электродах нарушится. В соответствии с принципом Ле Шателье, на электродах начнутся процессы, способствующие восстановлению равновесия (т. е. появлению на цинковом электроде избытка электронов):

А (-) Zn ⁰ - 2ē  Zn ²⁺ окисление

К (+) Сu ²⁺ + 2ē  Сu ⁰ восстановление

Таким образом,

• В любом замкнутом гальваническом элементе на отрицательном электроде, называемом анодом, происходит окисление, а на положительном электроде – катоде - восстановление.

Поскольку цепь замкнута, избыточные электроны будут перетекать на медную пластину и т. д. До тех пор, пока цепь будет замкнута, цинковая пластина будет растворяться, на медной будет осаждаться металлическая медь. Равновесие на электродах не установится, в цепи будет протекать ток. Просуммируем процессы, протекающие на электродах в замкнутом гальваническом элементе:

Zn + Сu²⁺ = Zn²⁺ + Сu

или Zn + СuSО₄ = ZnSО₄ + Сu

Суммарная электрохимическая реакция называется токообразующей. Рассмотренный гальванический элемент называется элементом Даниэля - Якоби. В прошлом веке он широко использовался в качестве источника постоянного тока. Сокращенное обозначение элемента Даниэля-Якоби: А (-) Zn | ZnSО₄ || СuSО₄ | Cu (+) К

Подобным образом обозначают любые гальванические элементы. При этом следует помнить, что слева принято указывать электрод с более отрицательным потенциалом.

Итак,

• Гальванический элемент - это система, в которой происходит

самопроизвольная окислительно – восстановительная реакция

(ΔG< 0), энергия которой превращается в электрическую энергию.

Гальванический элемент является химическим источником электрического тока.

Основной характеристикой гальванического элемента является его электродвижущая сила (ЭДС) или ∆Е, которая представляет собой разность электродных потенциалов в исходный момент работы элемента. ЭДС всегда является величиной положительной.

Чтобы рассчитать величину ЭДС, необходимо вычесть из более положительного электродного потенциала величину более отрицательного потенциала. В нашем примере при концентрации ионов цинка и меди в растворах равных 1 г/ ион-л:

∆Е = Е⁰ _{Cu / Cu}²⁺ – Е⁰_{Zn / Zn}²⁺ = 0,34 – ( - 0,76) = 1,1 В (7)