Гальванический элемент

Гальванический элемент - электрохимическая система, в которой химическая энергия превращается в электрическую

Первичный гальванический элемент Даниэля Якоби - простейший источник тока, в котором протекает электрохимическая реакция (окислительная и восстановительная полуреакции разделены пространственно, а переход электронов происходит по проводникам 1-го рода).

Схема гальванического элемента

е

Схема ГЭ: ZnZnSO₄ CuSO₄ Cu

ионыSO₄^2-

При разомкнутой цепи  равновесие: Zn²⁺ + 2e Zn

Cu²⁺ + 2e Cu

Е⁰_Cu²⁺_/Cu = 0,337 B; Е⁰_Zn²⁺_/Zn = -0,763 B

Е_Э = (Е_К – Е_А)  0  Е_К  Е_А  Cu²⁺/Cu – Катод, а Zn²⁺/Zn – Анод

Цепь замкнута:

(-) АНОД: Zn^o → Zn²⁺ + 2e – окисление

(+) КАТОД: Cu⁺² + 2e → Cu^o - восстановление

ТОР (токообразующая реакция): Zn^o + Cu²⁺ _(р) → Zn²⁺ _(р) + Cu^o

Е⁰_Э = Е⁰_Cu²⁺_/Cu – Е⁰_Zn²⁺_/Zn = 0,337 – (-0,763) = 1,1 B

Необходимое условие работы любого ГЭ - наличие разности потенциалов. Процессы окисления и восстановления будут идти пока не сравняются потенциалы.

Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе ГЭ – электродвижущая сила ГЭ (ЭДС) Е_э = Ек –Еа

С помощью ГЭ можно совершить электрическую работу: -_rG = А_{полезн max}; G_ТОР = А _электр

С другой стороны, электрическая работа, совершаемая ГЭ: А_{электрич} = Q^. Е_э

Q – кол –во прошедшего электричества.

Максимальная работа ГЭ при превращении 1 моля вещества: А _{электр max} = nFE_Э

Е_Э – ЭДС;

n – число моль эквивалентов в моле вещества или число электронов, участвующих в ТОР.

После подстановки: G_ТОР = -nFE_Э; G⁰_ТОР = -nFE⁰_Э - основные уравнения, связывающие химические и электрические характеристики.

Изменение энергии Гиббса зависит от р_i или С_i реагентов согласно изотерме Вант Гоффа.

Для ТОР ГЭ аА_(р) + bВ_(т)  dD_(р) + lL_(т)) изотерма Вант Гоффа

G_ТОР = G⁰ _ТОР + RTln , разделив на «-nF» имеем уравнение Нернста для ЭДС

Е _Э = - , Е_Э =

Е⁰_Э

Если для создания ГЭ используют одинаковые электроды и один и тот же электролит разной концентрации, то ГЭ работает за счет выравнивания концентраций и называется концентрационным.

Связь ЭДС с константой равновесия ТОР G⁰ _ТОР = -RTlnK_a ≈ -RTlnK_с 

С огласно уравнению Гиббса-Гемгольца ∆S = nF и температурная зависимость ЭДС ГЭ: = ,

где - температурный коэффициент ЭДС

Температурная зависимость ЭДС гальванического элемента

Вывод: измеряя Е_Э и определяют G_, Н и S – реакции, протекающей в ГЭ. ЭДС измеряют либо высокоомным вольтметром, либо компенсационным методом.

Преимущества ХИТ: автономность, бесшумность,относительная безвредность и относительно высокий КПД.