Элемент Даниэля

Устройство электрохимической ячейки. Терминология.

H2O2 + 2KMnO4 ® 3O2 + 2MnO2 + 2H2O + 2KOH

PbS + 4H2O2 ® PbSO4 + 4H2O

Восстановительные свойства H₂O₂

H₂O₂ + KMnO₄ ® MnO₂ + O₂ + …

3÷ H₂O₂ + 2OH¯ - 2e ® 2H₂O + O₂ окисление

2÷ MnO₄¯ + 2H₂O + 3e ® MnO₂ + 4OH¯ восстановление

3H₂O₂ + 2MnO₄¯ ® 3O₂ + 2MnO₂ + 2H₂O + 2OH¯

Самоокисление-самовосстановление H₂O₂

1÷ H₂O₂ – 2e ® 2H⁺ + O₂ или 1÷ H₂O₂ +2OH¯– 2e ® 2H₂O + O₂

1÷ H₂O₂ + 2H⁺ + 2e ® 2H₂O 1÷ H₂O₂ + 2e ® 2OH¯

2H₂O₂ ® 2H₂O + O₂

Одна из ключевых задач химии – предсказание направления и глубины протекания химической реакции.

Характерная особенность ОВР, отличающая этот вид химических реакций от других, состоит в том, что процессы окисления и восстановления можно пространственно разделить, если проводить реакцию в электрохимической цепи. При этом удаётся осуществить перенос электронов через металлический проводник и измерить величину, непосредственно связанную с, - электродвижущую силу (ЭДС).

Рассмотрим устройство и работу электрохимической цепи на примере элемента Даниэля (рис.1). Он состоит из цинкового электрода, погруженного в раствор сульфата цинка, и медного электрода, погруженного в раствор сульфата меди. Электроды соединены металлическим проводником, а растворы – солевым мостиком. Солевой мостик – это трубка, заполненная раствором какого-либо электролита (например, КCl). Один конец трубки погружён в раствор ZnSO₄, другой – CuSO₄ (рис.1). При погружении металлического проводника в раствор, содержащий катионы того же самого металла устанавливается динамическое равновесие между катионами М ²⁺, находящимися в растворе, и атомами М на поверхности электрода:

М ²⁺ + 2e = М.

Часть атомов М в виде катионов M ²⁺ переходит в раствор, в тоже время катионы М ²⁺ могут восстанавливаться на поверхности электрода. Если преобладает прямая реакция, то пластина заряжается положительно, а раствор вблизи электрода отрицательно. Если преимущественно идёт обратная реакция, то пластина заряжается отрицательно, а раствор вблизи электрода – положительно. Если электроды изолированы, то данные процессы быстро остановятся. Поэтому для того, чтобы в электрохимической цепи протекала окислительно-восстановительная реакция, необходимо, чтобы электроды были соединены проводником, а растворы - солевым мостиком. В этом случае электроны перемещаются от электрода с меньшим потенциалом (Zn) к электроду с большим потенциалом (Cu).

CuSO₄ + Zn ® Cu + ZnSO₄

Рис.1. Схема устройства элемента Даниэля.

Электрод, на котором протекает процесс окисления, называется анодом Zn ⁰ –2e = Zn^{2 +}. Электрод, на котором протекает процесс восстановления, называется катодом Сu^{2 +} + 2e = Cu ⁰.

Если ОВР в электрохимической цепи протекает самопроизвольно, то она называется гальваническим элементом. Гальванические элементы находят применение в качестве химических источников тока. Если ОВР идёт под внешним воздействием в направлении противоположном самопроизвольному, то такая электрохимическая цепь называется электролитической ячейкой. В ней протекает электролиз. Действительно, если к элементу Даниэля подключить внешний источник тока и подать на Сu - и Zn- электроды достаточно большие положительный и отрицательный потенциалы, соответственно, то на электродах будут протекать процессы, противоположные самопроизвольным:

Cu ⁰ – 2e = Cu ²⁺ (анод, окисление)

Zn²⁺ +2e = Zn⁰ (катод, восстановление)

Cu ⁰ + Zn²⁺ = Cu ²⁺ + Zn⁰

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ		ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ (ОВР протекает самопроизвольно) сокращенная форма записи: y Zn ï ZnSO4 (C1)ú÷ KCl ú÷ CuSO4 (C2)ï Cu Å
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА (ОВР идет в направлении, обратном самопроизвольному) сокращенная форма записи: Å Cu ï CuSO4 (C1)ú÷ KCl ú÷ ZnSO4 (C2)ï Zn y

Стандартный элеткродный потенциал металла (E^о) – это ЭДС гальванического элемента при условии, что один полуэлемент – водородный (C(H⁺)= 1M, р(Н₂)=1 атм, Т = 298 К), а второй – металл, погруженный в раствор его соли с концентрацией ионов металла 1М. Металлы расположенные в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, образуют так называемый ряд стандартных элеткродных потенциалов.

Дата добавления: 2014-01-20