Гальванические элементы

F Гальванический элемент – это устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию за счет пространственного разделения процессов окисления и восстановления.

Гальванический элемент состоит из двух электродов, соединенных во внешней цепи металлическим проводником, а во внутренней цепи – электролитическим мостиком – стеклянной трубкой, заполненной насыщенным раствором КСl, или пористой перегородкой.

В гальваническом элементе различают анод и катод.

Анод – электрод, на котором протекает процесс окисления. Катионы металла переходят в раствор, масса анода уменьшается. Анод заряжается отрицательно. Пример анода:

Катод – электрод, на котором протекает процесс восстановления катионов металла из раствора, масса катода увеличивается. Катод заряжается положительно. Пример катода:

Условная запись гальванического элемента:

(–) Анод | Анодный раствор || Катодный раствор | Катод (+)

В схеме гальванического элемента согласно правилам ИЮПАК (Международный союз теоретической и прикладной химии) слева записывают анод, справа – катод.

Границу раздела между металлом и раствором обозначают одной вертикальной чертой. Границу раздела двух растворов – двумя сплошными вертикальными чертами, если диффузионный потенциал между ними полностью устранен, и пунктирной вертикальной чертой – если он остается. Компоненты одной фазы записывают через запятую.

Способность гальванического элемента к переносу электронов во внешней цепи характеризуется электродвижущей силой (ЭДС).

В обратимых условиях ЭДС гальванического элемента равна разности потенциалов катода и анода:

Е = (катода) – (анода).

Диффузионный потенциал должен быть при этом устранен.

ЭДС гальванического элемента зависит от:

1. природы электродов;

2. активности потенциалопределяющих ионов в анодном и катодном растворах;

3. температуры.

Наибольшее влияние на величину ЭДС оказывает природа электродов. Чем дальше друг от друга располагаются металлы в ряду напряжения, тем больше величина ЭДС.

Пример: Гальванический элемент Даниэля-Якоби.

Этот элемент состоит из медной пластинки, погруженной в раствор сульфата меди и цинковой пластинки, погруженной в раствор сульфата цинка. Растворы соединены между собой солевым мостиком, заполненным хлоридом калия.

Схема элемента Даниэля-Якоби:

(–) Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu (+)

Вместо соединений находящихся в растворах, можно указывать только потенциалопределяющие ионы. В этом случае схема гальванического элемента будет иметь вид:

Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu

При замыкании внешней и внутренней цепи в гальваническом элементе возникает электрический ток за счет протекания следующих процессов.

На аноде ионы цинка переходят в раствор, и масса цинковой пластинки уменьшается:

Zn = Zn²⁺ + 2ē

При замыкании полюсов элемента металлическим проводником электроны во внешней цепи будут переходить с цинковой пластинки на медную.

На катоде ионы меди осаждаются из раствора на медной пластинке, масса катода увеличивается:

Сu²⁺ + 2ē = Cu

Во внутренней цепи электрический ток переносится в основном ионами калия и хлора солевого мостика. Анионы хлора перемещаются в анодное пространство, катионы калия – в катодное пространство. В результате возникает замкнутая электрическая цепь.

Электрический ток обусловлен суммарной окислительно-восстановительной реакцией:

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu

При обратимой работе гальванического элемента свободная энергия Гиббса ОВР, протекающей в гальваническом элементе, переходит в электрическую работу, которая определяется разностью потенциалов катода и анода:

G= –A = –nFE = –nF[(катода) – (анода)],

где: n – число электронов, принимающих участие в ОВР.

Для данного гальванического элемента:

G= –2F[(Cu²⁺/Cu) – (Zn²⁺/Zn)]