Гальванический элемент

Гальванический элемент – это устройство, способное преобразовывать свободную энергию Гиббса окислительно-восстановительной реакции в электрическую.

Элемент состоит из двух электродов (например, цинк и медь), опущенных в растворы собственных солей (или другого электролита) и соединенных проводником.

Растворы солей также приведены в электрический контакт полупроницаемой мембраной или электролитическим ключом в виде стеклянной трубки, заполненной насыщенным раствором КСl.

При этом через проводник протекает электронный ток, а на электродах в растворе электролита протекают окислительно-восстановительные реакции. На внутреннем участке электрической цепи гальванического элемента (растворы солей и насыщенный раствор КСl) протекает ионный ток.

Например, для элемента Даниэля-Якоби:

– на аноде Zn⁰-2e=Zn²⁺ – окисление;

– на катоде Cu²⁺ +2e=Cu ⁰ – восстановление.

Уравнение токообразующей реакции:

Zn⁰+ Cu²⁺ =Zn²⁺ +Cu⁰.

Схема гальванического элемента: .

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента (ε) выражается разностью установившихся электродных потенциалов катода и анода:

ε =Е_К-Е_А.

При стандартных условиях (при погружении металла в раствор собственного иона с одномоляльной концентрацией при температуре Т=25°С), электродный потенциал металла равен его стандартному электродному потенциалу (прил. 6).

В условиях, отличающихся от стандартных, электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе (при постоянной температуре), что выражается уравнением Нернста:

где Е⁰- стандартный электродный потенциал, В; n – число электронов, принимающих участие в процессе (заряд иона); С_m – моляльная концентрация (активность) гидратированных ионов металла в растворе, моль/кг Н₂О.

Пример 1. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых металл был бы катодом, а в другом – анодом. Напишите уравнения реакций, протекающих на электродах в гальванических элементах. Определите ЭДС элементов при температуре 298 К, если активность ионов обоих металлов в первом элементе равна 0, 01 моль/кг Н₂О, а в другом 1, 0 моль/кг Н₂О.

Решение. Металл – медь. Составим элемент, в котором медный электрод является катодом. Анодом можно выбрать любой металл, имеющий меньший электродный потенциал, например – магний.

Схема гальванического элемента: (-) Mg/ Mg²⁺//Cu²⁺/Cu (+).

Реакция на аноде: Mg_(тв.)-2e=Mg²⁺_(водн.)

Реакция на катоде: Cu²⁺_(водн.) +2e=Cu_(тв.)

Уравнение токообразующей реакции:

Mg_(тв.) + Cu²⁺_(водн.) =Mg²⁺_(водн.) +Cu_(тв.)

Значения потенциалов электродов рассчитаем по уравнению Нернста:

 

,

,

Составим элемент, в котором медный электрод является анодом. Катодом можно выбрать любой металл, имеющий больший электродный потенциал, например, ртуть:

 

(-)Cu / Cu ²⁺//Hg²⁺/ Hg (+).

Запишем уравнение реакций:

Cu_(тв.)-2e=Cu²⁺_(водн.) – на аноде;

Hg²⁺_(водн.) +2e=Hg_(ж.) – на катоде.

Суммарное уравнение:

Cu_(тв.)+ Hg²⁺_(водн.) =Cu²⁺_(водн.) + Hg_(ж.).

Так как активность ионов металла в растворах равна 1 моль/кг воды, то в данном элементе оба значения потенциалов – стандартные:

_.

Ответ: ε =0, 51 В.