Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
str_3-95.doc
Скачиваний:
155
Добавлен:
17.03.2015
Размер:
4.73 Mб
Скачать

5.2. Общие понятия о работе гальванического элемента

Гальванический элемент состоит обычно из двух полуэлементов, каждый из которых представляет собой электрод, опущенный в ионную среду. Ограничимся рассмотрением гальванических элементов, в которых ионной средой выступают водные растворы электролитов, например в общем виде:

- Металл I

Электролит I

Электролит II

Металл II +

На этих схемах одна вертикальная черта обозначает границу раздела твердой и жидкой фаз, т.е. электрод-электролит. Две вертикальные черты обозначают границу раздела двух жидких фаз, между которыми не возникает диффузионный потенциал Δφдиф. Если катионы и анионы, переходящие из одного электролита в другой, имеют разные подвижности, то на границе раздела фаз возникает диффузионный потенциал Δφдиф. В этом случае границу раздела двух жидких фаз разделяют на схеме пунктирной чертой.

Согласно Международной конвенции о системе знаков в схеме гальванического элемента (Стокгольм, 1953 г.) слева записывается электрод, на котором происходит окисление, а на правом электроде должна протекать реакция восстановления. При этом левый электрод (анод) будет иметь более отрицательный электродный потенциал φа по сравнению с электродным потенциалом правого электрода (катод) φк. При работе гальванического элемента, таким образом, возникает разность потенциалов, названная электродвижущей силой (ЭДС) элемента:

Δφ = φк – φа

ЭДС возникает при самопроизвольном протекании электродных реакций за счет убыли энергии Гиббса ΔG. При этом совершается полезная работа (электрическая), которая в условиях равновесия электрохимических реакций максимальна, положительна и равна

A = n F (φкφа)

Если гальванический элемент работает при постоянстве температуры и давления, то

ΔG = -А = - n F Δφ,

где n – число электронов, участвующих в электрохимических реакциях окисления и восстановления;

F = 96485 Кулон

Электродные процессы представляют собой окислительно-восстановительные реакции, которые можно записать в следующем виде:

aA + bB + nē ↔ cC + dD

Если в электродном процессе участвует только одно вещество в окисленной и восстановленной формах, то запись реакции упрощается:

Ох + nē ↔ Red

Различают обратимые и необратимые электроды. При перемене направления электрического тока на обратимых электродах возникают реакции, противоположные по направлению, на необратимых – протекают реакции не обратные друг другу. Примером обратимого электрода служит медь в растворе, содержащем Cu2+. При прохождении тока в противоположных направлениях идут реакции CuCu2+ + 2ē. К необратимым электродам относится, например, медь в растворе кислоты. Перемена направления тока приводит к реакциям 2H+ + 2ē → H2 и CuCu2+ + 2ē. Общая реакция в электрохимической цепи будет

Ox1 + Red2 ↔ Ox2 + Red1

Примером обратимой цепи служит элемент Даниэля-Якоби. состоящий из цинкового и медного полуэлементов (рис. 3).

В цинковом полуэлементе металлическая цинковая пластина погружена в водный раствор соли цинка с концентрацией [Zn2+]=1 моль/л. В медном полуэлементе – металлическая медная пластина погружена в водный раствор соли меди (II) с концентрацией [Cu2+]=1 моль/л. Цинковая и медная пластины соединены металлическим проводником, растворы солей – «солевым мостиком» («электролитический ключ»).

Рис. 3. Гальванический элемент Даниэля-Якоби:

1- цинковая пластина (электрод); 2- медная пластина (электрод); 3,3- растворы электролитов (ZnSO4, CuSO4); 4- внутренняя цепь (U-образная трубочка, заполненная раствором электролита - KCl); 5- внешняя цепь – медная проволока; 6- гальванометр

До замыкания цепи на каждой из металлических пластин на границе с раствором устанавливаются равновесия:

Cuo(тв.) Сu2+(р-р) + 2ē(на мет.);

Zno(тв.) Zn2+(р-р) + 2ē(на мет.);

Цинковая пластина заряжена более отрицательно, чем медная. Между ними возникает разность потенциалов. При замыкании системы в цепь равновесия на границе металл–раствор нарушаются. По внешней цепи – металлическому проводнику – избыток электронов с цинковой пластины переходит на медную пластину, где их концентрация меньше, так как <.

В результате, равновесие на цинковой пластине смещается вправо, идет окисление металлического цинка. На медной пластине равновесие смещается влево, протекает восстановление ионов меди (II).

Анод Zn(мет) – 2ē → Zn2+(р-р) (процесс окисления)

Катод Cu2+(р-р) + 2ē → Сu(мет) (процесс восстановления)

В ионном виде эти два процесса запишутся как:

Zn(мет) + Cu2+(р-р)Zn2+(р-р) + Cu(мет)

Молекулярное уравнение суммарной реакции

Zn + Cu(NO3)2 → Zn(NO3)2 + Cu

Между растворами электролитов также возникает разность потенциалов. В цинковом полуэлементе в результате растворения цинка увеличивается концентрация ионов Zn2+, в растворе создается избыток положительно заряженных ионов. В медном полуэлементе в результате осаждения меди концентрация ионов Cu2+ уменьшается и в растворе создается избыток отрицательно заряженных ионов. По внутренней цепи – «солевому мостику» – катионы и анионы перемещаются навстречу друг другу. Таким образом, в системе возникает направленное перемещение заряженных частиц, т.е. возникает электрический ток.

Электродвижущая сила – ЭДС – гальванического элемента определяется разностью потенциалов катода и анода:

> 0

В таком неравновесном режиме элемент Даниэля-Якоби будет работать до тех пор, пока полностью не растворится цинковая пластинка или полностью не восстановятся ионы меди Cu2+.

Для обозначения гальванического элемента используют символическую запись, упрощающую их описание, например, элемент Даниэля-Якоби может быть описан следующей краткой схемой:

ө Zn| ZnSO4 | | CuSO4 | Cu

полуэлемент полуэлемент

анод катод

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]