3. Гальванический элемент.
Гальванический элемент представляет собой двухэлектродную систему с самопроизвольно протекающим электрохимическим процессом. В гальваническом элементе происходит самопроизвольное превращение химической энергии в электрическую.
В контрольной работе рассматривается гальванический элемент, состоящий из двух металлических электродов, каждый из которых включает металлический проводник электронов, погруженный в раствор соли того же металла. Редоксипары таких электродов состоят из окислителя - катионов металла Меn+ и соответствующего восстановителя - атомов металла Me: Меn+/Ме.
Электрическая цепь гальванического элемента данного типа состоит из внешнего и внутреннего участков. Внешний участок цепи посредством того или иного проводника соединяет металлические электроды; во внешней цепи электроды замыкаются на потребителя электрического тока или на электроизмерительный прибор. Внутренний участок цепи соединяет растворы солей электродов посредством жидкостного мостика, заполненного насыщенным раствором КС1 и агар-агаром.
Характер электродных процессов в гальваническом элементе определяется относительными значениями электродных потенциалов электродов. Окисление протекает на поверхности металлического проводника электрода, содержащего наиболее сильный восстановитель, т.е. анодом является электрод с меньшим значением электродного потенциала; электрод с большим значением электродного потенциала является катодом. Соответственно относительным величинам электродных потенциалов анод в гальванических элементах маркируется знаком катод - знаком "+".
Следует иметь в виду, что для металлических электродов величина электродного потенциала зависит от концентрации катионов металла. Эта зависимость выражается формулой Нернста:
E(Men+/Me)=E°(Men+/Me)+(0,059/n)Ig С(Мe n+ ) (3.1)
где С(Меn+) - молярная концентрация катионов металла, n - число электронов, Е°(Меn+/Ме) - стандартный электродный потенциал металлического электрода, Е(Меn+/Ме) - электродный потенциал электрода при концентрации катионов металла С(Меn+).
Для представления гальванических элементов используется схематическая форма записи, которая начинается обозначением анода и заканчивается обозначением катода; в схеме гальванического элемента принято указывать число электронов, переходящих во внешней цепи от анода к катоду и далее из проводника катода к окислителю катода. Так гальванический элемент, состоящий из двух металлических электродов MeIn+/MeI и МеIIn+/МеII, в котором MeIn+/MeI - анод (А), а МеIIn+/МеII - катод (К), записывается:
ne
A- MeI / MeIn+// МеIIn+/ МеII +К (3.2)
Р азность электродных потенциалов гальванического элемента называется его электродвижущей силой (ЭДС). В соответствии с направлением самопроизвольного перехода электронов в гальваническом элементе (см. 3.2) его ЭДС - Е определяется как разность электродных потенциалов катода - Ек и анода - Еа: Е=Ек-Еа (3.3)
Для гальванического элемента, записанного в (3.2), ЭДС равна: Е= Е(МеIIn+/МеII) - E(MeIn+/MeI).
Пример 3.1. Металлический проводник, изготовленный из кобальта, погружен в 0,01 М раствор Co(NO3)2. Рассчитать величину электродного потенциала этого электрода.
Для данного электрода, пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, подобрать катод. Записать схему гальванического элемента, для которого составить уравнения электродных процессов и уравнение электрохимического процесса, определить значение ЭДС, считая электродный потенциал катода равным его стандартному значению, и рассчитать величину стандартной ЭДС.
Окислительно-восстановительная пара рассматриваемого электрода записывается: Со2+/Со.
По формуле (3,1) рассчитываем величину электродного потенциала данного электрода:
Е(Со2+/Со) = Е°(Со2+/Со)+(0,059/n)lgC(Со2+) = -0,28+(0,059/2)lg0,01 = -0,28-0,059 = -0,339В.
П о отношению к электроду Со2+/Со в качестве катода можно использовать любой электрод с большим электродным потенциалом, например медный электрод Си2+/Си, стандартный электродный потенциал которого равен: Е°(Си2+/Си) = 0,34В. Записываем схему гальванического элемента с выбранным катодом: 2e
А - Со/Со2+// Cи2+/Cu+К
Записываем уравнения электродных процессов и уравнение электрохимического процесса, протекающего в данном гальваническом элементе:
Со=Со2++2е - уравнение анодного окисления.
Си2++2e=Си -уравнение катодного восстановления.
Со+Си2+=Со2++Си-уравнение электрохимического процесса.
По формуле (3.3) определяем величину ЭДС:
Е=Ек - Еа= Е°(Си2+/Си) - E(Co2+/Co)=0,34 - (-0,339)=0,679В.
Стандартную ЭДС рассчитываем по табличным значениям стандартных электродных потенциалов: Е°=Е°(Си2+/Си) - Е°(Со2+/Со) =0,34 - (-0,28)=0,62В.