Гальванические элементы

Если два электрода, например Zn и Cu погрузить в растворы их солей (соответственно ZnSO₄ и CuSO₄) и соединить металлическим проводником, образуется гальванический элемент. Гальваническими элементаминазывают устройства, в которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов преобразуется в электрическую энергию.

При работе гальванического элемента цинк, как более активный металл, окисляется, его ионы переходят в раствор, а высвобождающиеся электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. На медном электроде протекает реакция восстановления ионов меди из раствора.

Zn → Zn²⁺ + 2ē

Cu²⁺ + 2ē = Cu

Суммируя оба процесса, получаем уравнение, выражающее происходящую в гальваническом элементе реакцию в ионной форме:

Zn + Cu²⁺ → Cu + Zn²⁺.

Молекулярное уравнение этой реакции будет иметь вид:

Zn + CuSO₄ → Cu + Zn SO₄.

Суммарная окислительно-восстановительная реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей.

В гальваническом элементе процессы окисления и восстановления протекают раздельно, на разных электродах. Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом. В гальваническом элементе анод имеет знак минус. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом. В гальваническом элементе катод имеет знак плюс. В паре металлов всегда более активный металл является анодом, менее активный – катодом.

Гальванический элемент обозначают схемой. Слева записывается анод Zn|Zn²⁺, на котором возникает избыток электронов и происходит процесс окисления. Справа – катод Cu²⁺|Cu – электрод с недостатком электронов. Одна вертикальная черта изображает фазовый раздел между металлом и раствором электролита. Двойная вертикальная линия отделяет анодное пространство от катодного. Электроны по внешнему участку цепи, металлическому проводнику, переходят от отрицательного полюса к положительному. Внешнюю цепь на схеме не изображают. В круглых скобках знаками «плюс» и «минус» обозначают полюсы электродов. В рассмотренном примере эта схема будет иметь следующий вид:

(–)Zn|Zn²⁺|| Cu²⁺|Cu (+) или (–)Zn|ZnSO₄|| CuSO₄|Cu(+) .

Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой(ЭДС). Обозначается E, измеряется в вольтах. ЭДС элемента равна разности потенциалов катода и анода: E = j_к – j_а.

Стандартная ЭДС равна разности стандартных электродных потенциалов катода и анода: E⁰ = j⁰_к – j⁰_а. Так, для элемента Даниэля – Якоби стандартная ЭДС равна: E^o = j^o_Сu²⁺/_Cu – j⁰_Zn²⁺/_Zn = +0,337 – (–0,763) = +1,100 В.

Окислительно-восстановительная реакция, характеризующая работу гальванического элемента, протекает в направлении, в котором ЭДС имеет положительное значение. В этом случае ΔG⁰_х.р. < 0, т.к. энергия Гиббса химической реакции и ЭДС связаны соотношением

ΔG⁰ = ─ nE⁰F

где - число электронов, участвующих в электродной реакции; F - постоянная Фарадея, равная 96500 Кл; Е⁰ – стандартная ЭДС.