NF nF n

Гальванический элемент (ГЭ)

Гальванический элемент – устройство, в котором энергия химических окислительно-восстановительных процессов преобразуется в электрическую энергию. Как было показано в 1-й части практикума, – реакции окисления- восстановления протекают с участием электронов. Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц, электронов, ионов. Гальванический элемент состоит из двух электродов - металлических пластин, погруженных в растворы. Металл в растворе собственной соли называется полуэлементом. Например, медно-цинковый гальванический элемент или элемент Вольта можно представить в виде следующей схемы:

(металл) Zn _(тв) │ раствор Zn⁺² ║ раствор Cu⁺² │Cu_(тв) (металл),

Полуэлемент 1 полуэлемент 2

где одной вертикальной чертой │ показана граница раздела твердой и жидкой фаз, а двумя вертикальными чертами ║ - граница раздела двух растворов. Растворы соединяются между собой солевым мостиком, который обеспечивает электронейтральность растворов. Если два металлических электрода соединить между собой проводником, то цепь замкнется и по внешней цепи пойдет электрический ток, силу которого можно измерить. В зависимости от природы металла и концентрации ионов, в растворе на электродах могут протекать следующие процессы:

анод Ме⁰ - ne → Ме ⁺ⁿокисление

катод Ме⁺ⁿ + ne → Ме⁰восстановление.

В случае элемента Вольта, цинковая пластина является анодом, медная – катодом. Поскольку Zn заряжается отрицательно, а Cu - положительно, электроны во внешней цепи движутся от цинка к меди.

Электродный потенциал (φ) - это разность потенциалов между металлом и раствором, содержащим его ионы.

Значение φ электрода зависит от концентрации ионов металла в растворе и от температуры. Зависимость эта строгая, термодинамическая и выражается уравнением Нернста.

φ = φ⁰_(Ме₎ + RT ln [Ме⁺ⁿ] = φ⁰_(Ме₎ + 2,303 RT lg [Ме⁺ⁿ] = φ⁰_(Ме₎ + 2,303 0,059 lg [Ме⁺ⁿ]

φ⁰– стандартный электродный потенциал,численно равный потенциалу электрода когда концентрация ионов металла [Ме⁺ⁿ ] равна = 1 моль/л;

R – универсальная газовая постоянная, ТК – температура Кельвина; F – число Фарадея;

n – число электронов, участвующих в электродном процессе; 0,059в = RT/ F = 8,31_*298 / 96500 (в).

ЭД.С. (Е)– электродвижущая силагальванического элемента рассчитывается как разность потенциалов двух электродов соединенных между собой. Э.Д.С. характеризует способность электронов к движению во внешней цепи, поэтому Э.Д.С > 0.Помеждународному соглашению Э.Д.С. направлена слева направо:

Е = φ_{правый электрод}–φ_{левый электрод.}

Для элемента Вольта Е = φ(анод) - φ(катод) = φ (Cu) - φ (Zn) или в соответствии с уравнением Нернста:

Е = φ⁰(Сu) + 0,059 lg [Cu⁺²] - φ⁰ (Zn) - 0,059 lg [Zn⁺²]

2 2

Стандартный электродный потенциал φ⁰(Ме⁺ⁿ) определяют измерением Э.Д.С. гальванического элемента, составленного из металлического электрода и стандартного водородного электрода, потенциал которого условно принят за ноль. Стандартный водородный электродпредставляет собой платиновую пластину, покрытую рыхлой платиновой чернью, которая погружена в раствор серной кислоты, концентрация ионов водорода в котором равна 1 моль/л. Через раствор под давлением 1 атм = 1,03 10⁵Па пробулькивает газообразный водород. Этот электрод является обратимым и может функционировать как анод или как катод:

- как анод Pt │ H₂│ H⁺(H₂SO₄), φ⁰ = 0,059 lg [Н⁺]² = 0

- как катод ║ H⁺(H₂SO₄), │ H₂│ Pt 2 Р(H₂₎

Стандартные электродные потенциалы для всех известных металлов определены и помещены в таблицу. Чем отрицательнее значение стандартного электродного потенциала, тем сильнее выражены восстановительные свойства металла. Используя значения φ⁰_(Ме),можно представить ряд напряжения металлов, причем место каждого металла в этом ряду говорит о восстановительных свойствах металлов.

Пример. Рассчитать Э.Д.С. гальванического элемента составленного из свинцового и никелевого электрода, помещенных в растворы собственных солей. Концентрация потенциалопределяющих ионов равна: [Ni⁺²] = 0,01моль/л, [Fe⁺³] = 0,1 моль/л. Составьте электродные реакции и укажите катод т анод.

Решение: Используя уравнение Нернста, рассчитаем значения электродного потенциала, который возникает на каждом электроде.

Никелевый электрод: φ⁰₍_Ni₎ = -0,25 в + (0,059в/2) lg 10^-2= -0,25в + ( -2 _*0,0295в) = -0,309 в.

Железный электрод φ⁰₍_Fe₎ = -0,037в + (0,059в /3) lg 10^-1= -0,037в + (-1 _* 0,0197 )в =-0,056в

Э.Д.С.>0, поэтому Е = φ⁰₍_Fe₎ - φ⁰₍_Ni₎ = -0,056 – (-0,309) = -0,253 в.

Электродные реакции: анод - Fe⁺³ + 3e = Fe⁰

катод - Ni⁰ – 2е = Ni⁺².

Стандартные электродные потенциалы

Уравнение процесса	Е^о, вольт	Уравнение процесса	Е^о, вольт
AI = AI⁺³+ 3e^-	-1,663	Mg = Mg⁺² + 2e^-	-2,363
Ba = Ba⁺² + 2e-	-2,905	Mn = Mn⁺² + 2e^-	-1,179
Be = Be⁺² + 2e^-	-1,847	Cu = Cu⁺² + 2e^-	0,337
V = V⁺² + 2e^-	-1,175	Cu = Cu⁺ + e^-	0,520
H₂ = 2H⁺ + 2e^-	0,000	Na = Na⁺ + e^-	-2,714
Bi = Bi⁺³ + 3e^-	0,215	Ni = Ni⁺² + 2e^-	-0,250
Fe = Fe⁺³ + 3e^-	-0,037	Sn = Sn⁺² + 2e^-	-0,136
Fe = Fe⁺² + 2e^-	-0,44	2Hg = Hg₂⁺² + 2e^-	0,333
Fe⁺² = Fe⁺³+ e^-	0,771	Rb = Rb ⁺ + e^-	-2,925
Au = Au⁺³ + 3e^-	1,498	Pb = Pb⁺² + 2e	-0,126
Au = Au⁺ + e^-	1,692	Pb⁺² = Pb⁺⁴ + 2e	1,694
Cd = Cd⁺² + 2e^-	-0,403	Ag = Ag⁺ + e^-	0,799
K = K⁺ + e^-	-2,924	Sr = Sr⁺² + 2e^-	-2,888
Ca= Ca⁺² + 2e^-	-2,866	Cr = Cr⁺³+ 3e^-	-0,744
Co = Co⁺² + 2e^-	-0,277	Cr = Cr⁺²+ 2e^-	-0,913
Co⁺² = Co⁺³ + e^-	1,808	Zn = Zn⁺² + 2e^-	-0,763