Гальванический элемент. Анодные и катодные процессы. Условная схема гальванического элемента, эдс и ее измерение.
Гальванический элемент (химический источник тока) – устройство, которое позволяет превращать энергию химической реакции в электрическую работу. По принципу работы различают первичные (разовые), вторичные (аккумуляторы) и топливные элементы. Гальванический элемент состоит из ионпроводящего электролита и двух разнородных электродов (полуэлементов), процессы окисления и восстановления в гальваническом элементе пространственно разделены. Положительный полюс гальванического элемента называется катодом, отрицательный - анодом. Электроны выходят из элемента через анод и движутся во внешней цепи к катоду.
Правила записи: слева располагается электрод, имеющий более отрицательный потенциал (анод), справа - катод; растворы отделяются вертикальной пунктирной линией, если они контактируют друг с другом, и двумя вертикальными линиями, если между ними находится солевой мостик; одна вертикальная линия означает границу раздела фаз, вертикальная пунктирная линия - мембрана.
Медно-цинковый элемент (элемент Даниэля) состоит из двух полуэлементов (или электродов): I - цинковая пластинка погружена в раствор ZnSO4, II - медная пластинка - в раствор CuSO4. Полуэлементы соединены ионным мостиком III
.
При замыкании внешней цепи IV на аноде происходит окисление цинка:
Zn - 2е = Zn2+
На катоде - восстановление ионов меди:
Cu2+ + 2е = Cu
За счет окислительно-восстановительной реакции по внешней цепи течет поток электронов от цинкового электрода к медному, а по ионному мостику движутся сульфат-ионы. Цинковый электрод постепенно растворяется, на медном выделяется металлическая медь. Схеме элемента запишется так:
анод(-) Zn ZnSO4 CuSO4 Cu катод(+)
Электродвижущая сила гальванического элемента
Полная схема гальванического элемента с учетом внешней цепи, состоящей, например, из медного провдника, будет:
анод(-) CuZn ZnSO4 CuSO4 Cu катод(+)
На каждой межфазной границе существует скачок электрического потенциала. Это контактный потенциал в месте сопрокосновения меди и цинка к, абсолютные электродные потенциалы Zn и Cu на границе металл-раствор, диффузионный потенциал Д на границе, разделяющей растворы. Применение ионного мостика делает диффузионный потенциал пренебрежимо малым и его можно считать равным нулю. Если отсчитывать абсолютный электродный потенциал, полагая положительным переход от раствора к металлу, то для электродвижущей силы ЭДС данного гальванического элемента можно написать равенство:
Е = Cu - Zn + к ,,а для гальванического элемента, сожержащего металлы 1 и 2: Е = 1 - 2 + 12
Электродные потенциалыАбсолютные электродные потенциалы определить очень трудно. Но, т.к. абсолютные электродные потенциалы входят в выражение для ЭДС с разными знаками, то их можно заменить величинами, отличающимися от них постоянными слагаемыми. Вместо абсолютного скачка потенциала на границе металл-раствор удобно использовать ЭДС элемента, состоящего из данного электрода и другого электрода, который во всех случаях должен быть одним и тем же. В качестве такого электрода сравнения принят стандартный водородный электрод.
Электродным потенциалом называется величина, равная ЭДС гальванического элемента, составленного из данного электрода и стандартного водородного электрода.
ЭДС электрохимического элемента равна разности электродных потенциалов:
Е = 1 - 2
Электродный потенциал электрода считается положительным, если в гальваническом элементе со стандартным водородным электродом данный электрод является катодом, и отрицательным - если анодом.