Гальванический элемент записывают в виде электрохимической схемы. Электрохимическая схема элемента Якоби – Даниэля

А (−) Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu (+) K.

Краткая схема

А (−) Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu (+) K

Максимальное напряжение, которое дает элемент (Э.Д.С.), рассчитывают как разность электродных потенциалов катода и анода:

E = е _катода - е _анода.

Э. Д. С. элемента Якоби – Даниэля для стандартных условий

e⁰Zn/Zn²⁺ = – 0,76 (В); e⁰Cu/C²⁺ = +0,34 В

Е⁰ = (+0,34) – (-0,76) = 1,10 В

В гальваническом элементе окислительно-восстановительный процесс протекает самопроизвольно в направлении той реакции, для которой Э. Д. С. реакции – величина положительная.

Так как электродный потенциал зависит от концентрации ионов металлов в растворе, то можно составлять концентрационные гальванические элементы. Например, электрохимическая схема серебряного концентрационного гальванического элемента запишется

А (−) Ag | AgNO₃ (С₁) || (С₂) AgNO₃ | Ag (+) K

где С₁ < С₂,

C₁ и C₂ – концентрации электролита AgNO₃.

Пример 3. Гальванический элемент составлен из алюминиевого электрода (концентрация ионов Al³⁺ равна 10^–4 мол/л) и никелевого электрода при стандартных условиях. Составить электрохимическую схему элемента. Указать электроды, являющиеся анодом и катодом. Рассчитать Э.Д.С. гальванического элемента. Написать уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в элементе.

Решение. Из таблицы 5 находим, что значение стандартного электродного потенциала никелевого электрода е⁰ Ni/Ni²⁺ равно – 0,25(В).

По уравнению Нернста рассчитаем электродный потенциал для алюминиевого электрода

еAl/Al³⁺ = –1,660 + 0,059 Lg 0,0001 /3 = –1,739(В).

Чем ниже значение электродного потенциала, тем легче идет процесс окисления. В электрохимии электрод, на котором идет процесс окисления, называется анодом. В гальваническом элементе анод имеет заряд (−). Алюминиевый электрод имеет меньший электродный потенциал и является анодом. Составим электрохимическую схему элемента.

А (−) Al | Al³⁺ || Ni²⁺ | Ni (+) K.

Э.Д.С. алюминий–никелевого гальванического элемента будет равна

E = е _катода – е _анода = (+0,34) – (–0,76) = 1,10 В.

На алюминиевом электроде (аноде) протекает процесс окисления

Al – 3e^- = Al³⁺.

На никелевом электроде (катоде) идет процесс восстановления

Ni²⁺ + 2е^- = Ni .

Суммарное ионное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в гальваническом элементе, запишется:

2 Al – 3e^- = Al³⁺.

3 Ni²⁺ + 2е^- = Ni

2Al +3Ni²⁺ = 2Al³⁺. + 3Ni.

5.2. Электролиз

Электролизом называется окислительно–восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита. Как уже указывалось, при электролизе происходит превращение электрической энергии в химическую.

Устройство, в котором осуществляется процесс электролиза (электролизер), состоит из двух электродов и электролита. Электрод, подключенный к отрицательному полюсу внешнего источника тока (избыток электронов), является окислителем. На этом электроде избыточные электроны от внешнего источника тока связывают катионы из раствора или расплава. Идет процесс восстановления. Электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника тока, является катодом. Электрод, подключенный к положительному полюсу источника тока (недостаток электронов), является восстановителем. На нем идет процесс окисления анионов из раствора или расплава. Этот электрод является анодом.

Рассмотрим электролиз расплава хлорида натрия. Расплав состоит из ионов Na⁺ и Cl^-. Если погрузить в расплав два электронопроводящих (графитовых) электрода, подключенных к источнику тока, то в электролите начнется направленное движение ионов к электродам и на электродах будут протекать следующие реакции:

Na⁺ + e^- = Na

2Cl^- − 2е = Cl₂.

Схема процесса электролиза расплава хлорида натрия

NaCl = Na⁺ + Cl^-

Катод (−) (+) Анод

Na⁺ Cl^-

Катод К 2 Na⁺ + e^- = Na

Анод А 1 2Cl^- − 2е = Cl₂

2Na⁺ + 2Cl^- = 2Na +Cl₂

2NaCl = 2Na + Cl₂

Таким образом, при электролизе расплава хлорида натрия может быть получен металлический натрий и газообразный хлор.

Электролиз водных растворов электролитов отличается от электролиза расплавов тем, что в системе, кроме ионов электролита, присутствуют продукты диссоциации воды (ионы H⁺ и OH^-)

H ₂O H⁺ + OH^-.

Восстановление (H⁺) и окисление (OH^-) из слабого электролита воды идет по уравнению:

на катоде 2Н₂О + 2е^- = H₂ + 2OH^-;

на аноде 2Н₂О − 4е = O₂ + 4H⁺ .