Вопрос 43

Устройства, которые обеспечивают превращение энергия химической реакции в электрическую работу, называются гальваническими элементами. Электрод, находящийся в контакте с окислителем и на котором происходит процесс восстановления, называется катодом, а электрод, находящийся в контакте с восстановителем и на котором происходит процесс окисления, называется анодом.

Электроны во внешней цепи будут двигаться от анода к катоду. Поэтому в гальваническом элементе анод будет иметь отрицательный потенциал или «–», а катод – положительный потенциал или «+». Разность потенциалов катода Eк и анода Eа называется электродвижущей силой (ЭДС) гальванического элемента:

ΔE = Eк − Eа

Рассмотрим гальванический элемент, состоящий из цинкового и медного

электродов (элемент Даниэля – Якоби). Поскольку самопроизвольно электроны могут переходить только от электрода с большей концентрацией электронов к электроду с меньшей концентрацией, то в процессе действия рассматриваемого гальванического элемента электроны во внешней цепи движутся от цинка к меди. На цинковом электроде происходит процесс окисления. Медь в данном случае играет роль инертного электрода, который передает электроны, поступившие от цинка, ионам меди, находящимся в растворе сульфата меди. Таким образом, на медном электроде происходит восстановление катионов меди. Во внутренней цепи сульфат-ионы, оказавшиеся в избытке в катодном пространстве, переходят через пористую перегородку или через солевой мостик в анодное пространство, где компенсируют заряды образовавшихся при окислении ионов цинка.

В основе работы данного гальванического элемента лежит реакция:

Zn + CuSO4 = Cu + ZnSO4

Элемент будет работать до тех пор, пока цинковый анод полностью не раствориться или не восстановиться вся медь из раствора сульфата меди.

Zn – 2e– = Zn2+ - процесс окисления на аноде

Cu2+ + 2e– = Cu - процесс восстановления на катоде

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu - суммарная реакция

При схематическом изображении гальванического элемента граница раздела между металлом и раствором электролита изображается вертикальной чертой, а граница между растворами электролитов – двойной вертикальной чертой. Например, схема гальванического элемента, в основе работы которого лежит реакция

Zn + 2AgNO3 = Zn(NO3 )2 + 2Ag

изображается следующим образом:

!

Эта же схема может быть изображена в ионной форме:

!

Знаки «–» и «+» электродов и, соответственно, анод и катод находим из сравнения стандартных электродных потенциалов:

В

Стандартный потенциал цинка много меньше, чем серебра, поэтому цинковый электрод будет иметь знак «–» и будет анодом, на котором идет полуреакция окисления металлического цинка:

А! : Zn − 2 = Zn2+

а серебряный электрод будет иметь знак «+» и будет катодом, на котором идет полуреакция восстановления ионов серебра:

К+: Ag+ + = Ag

+

где Pt(H2) обозначает водородный электрод, состоящий из инертного металла Pt, выполняющего здесь роль катода, на котором идет полуреакция восстановления катионов водорода: K +:

На аноде протекает полуреакция окисления цинка

А! : Zn − 2e− = Zn2+

Эта же схема элемента в ионной форме будет иметь следующий вид:

Pt( +