13. Гальванические элементы
Гальванический элемент - это устройство, в котором, в результате протекания окислительно-восстановительной реакции, возникает электрический ток. Любой гальванический элемент состоит из двух электродов - проводников электрического тока (обычно металлов), погруженных в растворы электролитов и соединенных между собой. Электрод, на котором проходит процесс окисления (отдача электронов), называется анодом; электрод, на котором осуществляется восстановление (присоединение электронов) – катодом
В основе работы гальванических элементов лежат явления, происходящие на границе между металлом и раствором электролита и сопровождающиеся возникновением на ней разности или скачка потенциалов. Разности или скачки потенциалов на границе металл-раствор зависят от активности катионов металла в растворе или, другими словами, каждой данной активности катионов металла в растворе соответствует определенное значение равновесного скачка потенциалов. Они называются электродными потенциалами, а их значения определяются относительно стандартного водородного электрода, принятого в качестве эталона, потенциал которого, называемый стандартным или нормальным, условно принимается равным нулю.
Всякий гальванический элемент состоит из двух электродов – металлов, погруженных в растворы электролитов; последние сообщаются друг с другом – обычно через пористую перегородку. Электрод, на котором в ходе реакции происходит процесс окисления, называется анодом; электрод, на котором осуществляется восстановление, – катодом.
При схематическом изображении гальванического элемента граница раздела между металлом и раствором обозначается вертикальной чертой, граница между растворами электролитов – двойной вертикальной чертой: Zn|Zn(NO3)2 ||AgNO3|Ag.
Максимальное напряжение гальванического элемента, отвечающее обратимому протеканию происходящей в нем реакции, называется электродвижущей силой Е (э.д.с.) элемента.
Если реакция осуществляется в стандартных условиях, т.е., если все вещества, участвующие в реакции, находятся в своих стандартных состояниях, то наблюдаемая при этом э.д.с. называется стандартной электродвижущей силой Ео данного элемента.
Э.д.с. гальванического элемента может быть представлена как разность двух электродных потенциалов φ, каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на одном из электродов:
Е = φAg – φZn .
Здесь φAg и φZn – потенциалы, отвечающие электродным процессам, происходящим соответственно на серебряном и цинковом электродах.
Таблица 2
Электрохимический ряд напряжений металлов
(стандартные электродные потенциалы)
|
Металл |
Е0, В |
Металл |
Е0, В |
|
Li+/Li |
-3,045 |
Ga3+/Ga |
-0,560 |
|
Rb+/Rb |
-2,925 |
Fe2+/Fe |
-0,441 |
|
K+/K |
-2,924 |
Cd2+/Cd |
-0,404 |
|
Cs+/Cs |
-2,923 |
In3+/In |
-0,338 |
|
Ra2+/Ra |
-2,916 |
Co2+/Co |
-0,277 |
|
Ba2+/Ba |
-2,905 |
Ni2+/Ni |
-0,234 |
|
Sr2+/Sr |
-2,888 |
Sn2+/Sn |
-0,141 |
|
Ca2+/Ca |
-2,864 |
Pb2+/Pb |
-0,126 |
|
Na+/Na |
-2,711 |
H+/H2 |
±0,000 |
|
Ac3+/Ac |
-2,600 |
Sb3+/Sb |
+0,240 |
|
La3+/La |
-2,522 |
Re3+/Re |
+0,300 |
|
Y3+/Y |
-2,372 |
Bi3+/Bi |
+0,317 |
|
Mg2+/Mg |
-2,370 |
Cu2+/Cu |
+0,338 |
|
Sc3+/Sc |
-2,077 |
Ru2+/Ru |
+0,450 |
|
Be2+/Be |
-1,847 |
Ag+/Ag |
+0,799 |
|
Al3+/Al |
-1,700 |
Rh3+/Rh |
+0,800 |
|
Ti3+/Ti |
-1,208 |
Hg2+/Hg |
+0,852 |
|
Mn2+/Mn |
-1,192 |
Pd2+/Pd |
+0,915 |
|
Cr2+/Cr |
-0,852 |
Pt2+/Pt |
+0,963 |
|
Zn2+/Zn |
-0,763 |
Au+/Au |
+1,691 |
Пример
1.
Составить схему, написать уравнения
электродных процессов и рассчитать
э.д.с. элемента, состоящего из цинковой
и никелевой пластин, опущенных в растворы
сернокислых солей с концентрацией
=
0,01 моль/л.
Решение. В ряду напряжений Zn стоит левее Ni , поэтому в гальваническом элементе отрицательным (анодом) будет цинковый электрод, а положительным (катодом) - никелевый.
Схема гальванического элемента
(-) ZnZnSO4NiSO4Ni (+).
При работе элемента протекают реакции:
на аноде Zn Zn2+ + 2e,
на катоде Ni2+ + 2e Ni.
Электродные потенциалы необходимо вычислить по уравнению Нернста:
.
Отсюда Е = -0,309 - (-0,819) = 0,51 В.
С учетом того, что число электронов, переносимых во время электрохимической реакции металлами, одинаково и концентрации растворов равны, уравнение упрощается и принимает вид
;
;
.
Гальванический элемент может быть составлен не только из различных, но и из одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, различающиеся только концентрацией (концентрационные гальванические элементы). Э.д.с. такого элемента также равна разности потенциалов составляющих его электродов.
Электрод, погруженный в более концентрированный раствор, положителен по отношению к другому, который погружен в более разбавленный раствор.
Задание: составить схему, написать уравнения электродных процессов и рассчитать э.д.с. элемента
|
№ задачи |
1-й полуэлемент |
2-й полуэлемент |
|
411 |
Mg; MgSO4 (C1=0,1 моль/л) |
Fe; FeSO4 (C2=0,01 моль/л) |
|
412 |
Cd; CdSO4 (C1=0,01 моль/л) |
Cd; CdSO4 (C2=0,1 моль/л) |
|
413 |
Pt, H2; H2SO4 (C1=1 моль/л) |
Ag; AgNO3 (C2=0,1 моль/л) |
|
414 |
Al; AlCl3 (C1=0,1 моль/л) |
Pt, H2; HCl (C2=1 моль/л) |
|
415 |
Pb; Pb(NO3)2 (C1=0,01 моль/л) |
Cu; Cu(NO3)2 (C2=1 моль/л) |
|
416 |
Fe; Fe(NO3)2 (C1=1 моль/л) |
Pb; Pb(NO3)2 (C2=1 моль/л) |
|
417 |
Ag; AgNO3 (C1=0,1 моль/л) |
Ag; AgNO3 (C2=1 моль/л) |
|
418 |
Zn; ZnSO4 (C1=0,1 моль/л) |
Cu; CuSO4 (C2=0,001 моль/л) |
|
419 |
Ni; NiSO4 (C1=0,001 моль/л) |
Cu; CuSO4 (C2=0,01 моль/л) |
|
420 |
Cd; CdCl2 (C1=1 моль/л) |
Sn; SnCl2 (C2=0,01 моль/л) |
|
421 |
Zn; ZnSO4 (C1=1 моль/л) |
Pt, H2; H2SO4 (C2=1 моль/л) |
|
422 |
Fe; FeCl2 (C1=0,1 моль/л) |
Ag; AgCl (C2=0,01 моль/л) |
|
423 |
Fe; FeCl2 (C1=1 моль/л) |
Sn; SnCl2 (C2=1 моль/л) |
|
424 |
Mg; Mg(NO3)2 (C1=0,01 моль/л) |
Pb; Pb(NO3)2 (C2=0,01 моль/л) |
|
425 |
Cu; CuCrO4 (C1=0,01 моль/л) |
Cu; CuCrO4 (C2=0,1 моль/л) |
|
426 |
Cd; CdCl2 (C1=0,1 моль/л) |
Pb; PbCl2 (C2=0,1 моль/л) |
|
427 |
Cu; CuCl2 (C1=0,1 моль/л) |
Pt, Cl2; 2Cl– (C2=1 моль/л) |
|
428 |
Cr; CrSO4 (C1=0,001 моль/л) |
Ni; NiSO4 (C2=0,01 моль/л) |
|
429 |
Pt, H2; H2SO4 (C1=0,1 моль/л) |
Ag; AgI (C2=0,01 моль/л) |
|
430 |
Zn; ZnCl2 (C1=1 моль/л) |
Cr; CrCl3 (C2=0,1 моль/л) |