2.2. Устройство и работа гальванического элемента

Возникновение электродного потенциала на металлических электродах делает возможной работу гальванического элемента.

Гальванический элемент – это система, состоящая из двух электродов, на поверхности которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов превращается в электрическую энергию.

Гальванический элемент состоит из двух различных металлических электродов, каждый из которых погружен в раствор своей соли. Растворы солей должны быть разделены пористой перегородкой, которая препятству­ет смешению растворов, но дает возможность анионам электролита перехо­дить из одного раствора в другой. Иногда растворы солей помещают в разные сосуды, тогда их соединяют электролитическим мостиком, предназна­ченным также для осуществления ионной проводимости в элементе.

Электрод, помещенный в раствор своей соли, образует полуэлемент. Таким образом, гальванический элемент состоит из двух полуэлементов. В каждом полуэлементе возникает электродный потенциал. Поскольку металлы, из которых сделаны электроды, различны, то и электродные потен­циалы будут иметь разное значение. Если эти два полуэлемента соединить между собой проводником первого рода, то электроны начнут переходить от электрода, где их больше (электродный потенциал меньше по своей величи­не), к электроду, на котором электронов меньше (электродный потенциал больше по величине). Этот переход электронов вызовет нарушение равновесия в двойном электрическом слое на обоих электродах. При этом на элек­троде с меньшим электродным потенциалом новое количество катионов ме­талла перейдут в раствор, а на втором электроде с большим электродным потенциалом катионы из раствора перейдут на электрод. Таким образом, на первом электроде будет проходить реакция окисления:

Ме₁ - nе = Me₁⁺ⁿ,

где Me₁ – первый металл;

n – число электронов;

а на втором электроде будет идти реакция восстановления:

.

Me₂⁺ⁿ + ne = Me₂,

где Ме₂ – второй металл.

Электрод, на котором протекает реакция окисления (электрод с меньшим электродным потенциалом), называется анодом. Электрод, на котором протекает реакция восстановления (электрод с большим потенциалом), называется катодом. Разность потенциалов электродов служит мерой способ­ности гальванического элемента совершать электрическую работу и называ­ется электродвижущей силой (ЭДС) и обозначается Е_т.э. ЭДС гальванического элемента равна разности потенциалов катода и анода: Е_т.е. = Е_катода - Е_анода. Схематически можно записать формулу гальванического элемента следующим образом:

Ме₁ | Me₁⁺ⁿx || Me₂⁺ⁿx | Me₂

раствор раствор

В формуле одна вертикальная черта обозначает границу раздела твер­дой фазы и раствора; двойная вертикальная черта - граница раздела раство­ров, стрелки указывают направление перехода электронов.

3. Экспериментальная часть

3. 1. Качественное определение различной электрохимической активности металлов

Установите опытным путем относительную активность шести метал­лов: меди, железа, олова, свинца, алюминия и цинка. Для этого возьмите шесть пробирок, внесите в каждую из них по 12-15 капель одного из сле­дующих растворов: соли меди (II), соли железа (II), соли свинца (II), соли алюминия и соли цинка. Во все растворы, кроме раствора соли меди, опус­тите на 1-2 минуты по кусочку меди или медной проволоки. В какой про­бирке красная медь покрылась налетом другого металла? Что это за металл, оказавшийся менее активным, чем медь? Напишите в ионном виде уравне­ние реакции взаимодействия меди с ионами этого металла.

Выньте из пробирок медные полоски и опустите во все пробирки, кроме раствора соли железа (II), железную проволоку или кусочки железа. Какие металлы вытесняются из раствора солей железом? Напишите уравне­ния реакций взаимодействия железа с ионами этих металлов. Какова восстановительная активность железа по сравнению с вытесненными металлами?

Проведите аналогичные опыты с кусочками свинца, алюминия, олова и пинка. Наблюдайте каждый раз, в каких пробирках происходит вытеснение металла из его соли. Напишите уравнения протекающих реакций с ука­занием направления перехода электронов. Результаты опытов запишите в следующей таблице.

Опускаемый металл	Ионы металлов в растворе
	Cu2+	Fe2+	Pb2+	Al3+	Sn2+	Zn2+
Cu
Fe
Pb
Al
Sn
Zn

Знаком (+) под соответствующими ионами металлов обозначайте вытеснение металлов из раствора своей соли при действии того или другого чистого металла и знаком (-), если вытеснения не происходит.

Какой из исследованных металлов самый активный и вытеснил все остальные из их солей? Какой металл наименее активный? Расположите все остальные исследованные металлы между ними в порядке убывающей восстановительной активности. Напишите в ряду активности под каждым ме­таллом его нормальный электродный потенциал. Соответствует ли составленный вами ряд последовательности расположения металлов в ряду нормальных электродных потенциалов? Принимая электродный потенциал водорода равным 0, поместите водород в полученный ряд активности. Какие из исследованных металлов могут вытеснить водород из разбавленных ки­слот?