6. Гальванические элементы

Устройства, в которых энергия химической окислительно–восстановительной реакции превращается в электрическую энергию, называются химическими источниками электрической энергии, или гальваническими элементами.

Гальванический элемент состоит из двух электродов, сообщающихся друг с другом. Электрод, на котором в ходе реакции происходит процесс окисления, называется анодом; электрод, на котором осуществляется восстановление, – катодом.

Максимальное напряжение гальванического элемента, отвечающее обратимому протеканию происходящей в нем реакции, называется электродвижущей силой элемента (ЭДС).

ЭДС гальванического элемента может быть представлена как разность двух электродных потенциалов (Е), каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на одном из электродов:

ЭДС=φ_К –φ_А

Пример 1

Гальванические элементы составлены по схеме:

а) Fe³⁺,Fe²⁺ II Ag⁺,Ag

Рассчитать ЭДС этих элементов при стандартных условиях и найдите изменение энергии Гиббса, протекающих в реакциях, уравнения которых напишите в ионно-молекулярной и молекулярной форме.

Решение:

а) (–)(Pt)Fe³⁺,Fe²⁺//Ag⁺,Ag(+)

Е (ЭДС) = φ(окислит.) – φ(восстановит.)

φ(Fe³⁺/Fe²⁺) = 0,77 В (восстановитель находим по таблице)

φ(Ag⁺/Ag) = 0,80 В (окислитель находим по таблице)

Е= 0,80 В – 0,77 В = 0,03 В

G (Энергия Гиббса) = –n F Е

n – число электронов, участвующих в процессе

F – число Фарадея

Е – ЭДС

G = –1 96485 0,03 В = – 2894,55 Дж = –2,8 кДж

Уравнения реакций:

Ag+ + 1e Ag окислитель	1
Fe2+– 1e Fe3+ восстановитель	1

Ag⁺ + Fe²⁺ Ag+ Fe³⁺

2AgNO₃+Fe(NO₃)₃ 2Ag + Fe(NO₃)₃

(серебряный и железный электрод опущены в раствор нитратов, которые разделены пористой перегородкой).

Пример 2

Составить схему гальванического элемента, в котором протекает реакция:

Pb + SO + Sn⁴⁺ PbSO₄ + Sn²⁺

Решение: Из справочной таблицы выписываем полуреакции с электродными потенциалами:

Pb + SO –2e^– PbSO₄ ; φ⁰=–0,356 В

Sn⁴⁺ + 2e^– Sn²⁺ ; φ⁰=0,15 В

Значит, на аноде протекает первый процесс, а на катоде – второй.

Схема гальванического элемента:

(+)Pb, PbSO₄, SO // Sn⁴⁺,Sn²⁺(Pt)(–)

Задачи

Составьте схему электродных процессов, суммарную реакцию и гальванический элемент, в котором возможно протекание указанной реакции. Рассчитайте значение стандартной электродвижущей силы.

136. Zn + 4OH^– + Sn²⁺ = ZnO + 2H₂O + Sn

137. Pb + SO + Sn²⁺ = PbSO₄ + Sn

138. 3H₂ + Н₂SO₄ = 4H₂O + S⁰

139. PbSO₄ + Ba = Pb + SO + Ba²⁺

140. Pb + SO + Ni²⁺ = PbSO₄ + Ni⁰

141. 2Ag + 2Cl^– + J₂ = 2AgCl + 2J^–

142. Cu + J₂ = Cu²⁺ + 2J^–

143. 2AuCl₃ = 2Au + 3Cl₂

144. 2J^– + Br₂ = 2Br^– + J₂

145. Mn²⁺ + Cl₂ + 2H₂O = MnO₂ + 4H⁺ + 2Cl^–

146. MnO₂ + 4OH^– + 3Ag⁺ = MnO+ 2H₂O + 3Ag⁰

147. PbO₂ + 4H⁺ + 2Hg + 2J^– = Pb²⁺ + 2H₂O + Hg₂J₂

148. Sn²⁺ + NO+ 2OH^– = Sn⁰ + NO+ H₂O

149. 2Cr₂O + 16H⁺ = 3O₂ + 4Cr³⁺ + 8H₂O

150. Fe³⁺ + MnO = Fe²⁺ + MnO

151. MnO₂ + 2NO + 2H⁺ = 2Mn²⁺ + 2HNO₃

152. H₂ + 2OH^– + 2Ni²⁺ = Ni + 2H₂O

153. H₂O₂ + Hg²⁺ = O₂ + 2H⁺ + Hg

154. 2Cl^– + PbO₂ + 4H⁺ = Cl₂ + Pb²⁺ + 2H₂O

155. PbSO₄ + 2H₂O + 2Cu²⁺ = 2Cu⁺ + PbO₂ +4H⁺ + SO

156. PbO₂ + 4H⁺ + 2Hg + 2J^– = Pb²⁺ + 2H₂O + Hg₂J₂

157. 2Ag + 2Br^– + Hg₂Cl₂ = 2AgBr + 2Hg + 2Cl^–

158. Hg + PbO = HgO + Pb

159. Ag⁺ + Cl^– = AgCl

160. 2Cr²⁺ + PbO₂ + 4H⁺ = 2Cr³⁺ + 2Pb²⁺ + 2H₂O