5.2 Гальванические элементы

Гальваническими элементами называют устройства, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую энергию. В медно-цинковом гальваническом элементе электродвижущая сила (ЭДС) возникает за счёт разности потенциалов меди и цинка, опущенных в растворы своих солей: соответственно CuSO₄ и ZnSO₄. Если концентрации растворов составляют 1 моль/л, то расчет эдс производят следующим образом. Составляют схему гальванического элемента:

Zn ‌‌│ZnSO4 ││ CuSO4 │Cu

Затем выписывают из таблицы стандартных электродных потенциалов значения потенциалов меди и цинка, соответственно

E^oZn²⁺/Zn = -0,76 B ()

E^oCu²⁺/Cu = +0,34 B ()

ЭДС можно рассчитать как разность потенциалов медного и цинкового электродов: ЭДС = Е_ox - Е_red. Определяют окислитель и восстановитель, сравнивая значения потенциалов. Потенциал у цинка отрицательнее, следовательно, цинковый электрод будет играть роль восстановителя:

(-) Zn⁰ -2ē  Zn²⁺ процесс окисления

и цинк будет отрицательным полюсом (анодом) в данном гальваническом элементе. Потенциал меди положительнее, поэтому медный электрод будет положительным полюсом (катодом), а процесс будет таким:

(+) Cu²⁺ + 2ē  Cu⁰ процесс восстановления.

Направление движения электронов будет от цинка к меди (показано мостиком со стрелкой на электрохимической схеме гальванического элемента. ЭДС = +0,34 – (-0,78) = 1,1 В

Концентрационный гальванический элемент.

В таком элементе оба электрода из одного металла, но растворы солей, в которые погружены электроды, различной концентрации. Поэтому необходимо рассчитать потенциалы по уравнению Нернста:

оф – окисленная форма элемента в потенциалопределяющей реакции,

вф – восстановленная форма элемента в этой реакции,

С – молярные концентрации соответствующих веществ,

n – количество электронов, перешедших от восстановителя к окислителю.

Пример 1. Рассчитать эдс гальванического элемента, состоящего из никелевых электродов, опущенных в растворы сульфата никеля с концентрацией 10^-4 моль/л и 1 моль/л соответственно.

Решение:

Схема гальванического элемента:

Ni NiSO₄, 0,0001 M  NiSO₄ 1 MNi

E^o 2H⁺/H₂ = -0,25 B

Определяем потенциал никеля по уравнению Нернста:

E Ni2⁺/Ni = E^o Ni2⁺/Ni + 0,059/2 lgCNi2+ = - 0,25 + 0,059/2lg10^-4 = - 0,309 B

Направление движения электронов во внешней цепи от электрода с Е = -0,25 В к электроду с Е = -0,309В.

(-) Ni NiSO₄, 0,0001 M  NiSO₄,1 MNi (+)

Уравнения электродных процессов:

(-) Ni⁰ -2ē → Ni²⁺ (процесс окисления)

(+) Ni²⁺ + 2ē → Ni⁰ (процесс восстановления)

Значение эдс составляет:

эдс = Е_ox - Е_red = -0,25 – (-0,309) = 0,059 В.

Задания к подразделу 5.2

Для предложенных гальванических элементов рассчитайте электродные потенциалы и ЭДС. Если концентрация раствора не указана, потенциал считается стандартным из таблицы 1. Напишите уравнения анодного и катодного процессов, молекулярное уравнение токообразующей реакции, составьте схему и укажите направления движения электронов и ионов.

181	Al Al2(SO4)3, 0,005 M NiSO4, 0,01 M Ni
182	Ni NiSO4, 0,1 M H2SO4 H2(Pt)
183	Sn SnSO4 Cr2(SO4)3, 0,05 M Cr
184	(Pt) H2 H2SO4 Al2(SO4)3, 0,005 MAl
185	Cu CuSO4, 0,1 M H2SO4H2(Pt)
186	Ag AgNO3, 0,01 M H2SO4H2(Pt)
187	Co CoSO4, 0,01 M CoSO4Co
188	Zn ZnSO4, 0,1 M FeSO4, 0,01 MFe
189	Ag AgNO3, 0,01 M Zn(NO3)2Zn
190	(Pt) H2  H2SO4 ZnSO4, 0,01 MZn
191	Cd  Cd(NO3)2, 0,1 M  Cd(NO3)2, 0,001 MCd
192	Ni  NiSO4, 0,001 M  NiSO4Ni
193	Fe  FeSO4  FeSO4, 0,01 MFe
194	Cr  Cr2(SO4)3, 0,005 M  ZnSO4 Zn
195	Zn  Zn(NO3)2, 0,001 M  Zn(NO3)2 Zn
196	Ag  AgNO3  Cr(NO3)3, 0,005 M Cr
197	Cd CdCl2, 0,1 M  CuCl2, 0,1 M Cu
198	Ti  Ti2(SO4)3, 0,5 M CuSO4Cu
199	Sn SnSO4, 0,01 M  Fe2(SO4)3Fe
200	Ag  AgNO3, 0,0001 M  Pb(NO3)2, 0,1 M Pb