Гальванический элемент

Если мы опустим цинковую пластинку в раствор сульфата меди, то произойдет реакция

Zn + CuSO₄ = Zn SO₄+ Cu.

В результате реакции выделится теплота (Q). То есть химическая энергия перейдет в теплоту. Можно перевести химическую энергию в электрическую.

Гальванический элемент – устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию.

Основным отличием электрохимических реакций, протекающих в гальваническом элементе, от окислительно-восстано-вительных реакций является пространственное разделение процессов окисления и восстановления.

Наиболее распространенным является гальванический элемент, состоящий из двух связанных между собой электродов, представляющих собой металлические пластины, погруженные в раствор электролита (растворы или расплавы солей с одноименным ионом).

Рассмотрим работу гальванического элемента Даниэля–Якоби (рис. 9.5.1), состоящего из двух электродов – цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка, и медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди. Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала.

При разомкнутой цепи в этом гальваническом элементе устанавливается равновесие между цинковым электродом и раствором сульфата цинка, а также между медным электродом и раствором сульфата меди. При замыкании внешней цепи электроны перемещаются от электрода с более низким потенциалом (цинкового) к электроду с более высоким потенциалом (медному).

На цинковом электроде протекает реакция окисления, и ионы переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением первой полуреакции

Zn – 2 e ^– = Zn²⁺.

На медном электроде протекает восстановление ионов меди: электроны, переместившиеся к нему от цинкового электрода, соединяются с находящимися в растворе ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в элементной форме на пластине металла. Соответствующая вторая полуреакция –

Cu²⁺+ 2 e ^– = Cu⁰.

Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакций

Cu²⁺ + 2 e ^– + Zn⁰– 2 e ^– = Zn²⁺ + Cu⁰.

Направление движения ионов в растворе обусловлено протекающими у электродов электрохимическими процессами. Как было упомянуто выше, у цинкового электрода катионы (положительные заряженные ионы) выходят в раствор, создавая в нем избыточный положительный заряд, а у медного электрода раствор, наоборот, все время обедняется катионами и заряжается отрицательно. В результате этого создается электрическое поле, в котором катионы (Zn²⁺ и Cu²⁺) движутся от цинкового электрода к медному, а анионы – SO₄^2– – в обратном направлении. В итоге жидкость у обоих электродов остается электронейтральной.

Причиной возникновения и протекания электрического тока в гальваническом элементе является разность электродных потенциалов – электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС любого гальванического элемента равна разности потенциалов двух его электродов (катода и анода):

ЭДС = Е к – Е а>0,

(9.5.1)

где Е _к – электродный потенциал катода; Е _а – электродный потенциал анода. ЭДС любого работающего гальванического элемента – величина положительная.

Анод – электрод, на котором происходит процесс отдачи электронов (окисление); в гальваническом элементе анод заряжен отрицательно. Катод – электрод, на котором происходит процесс присоединения электронов (восстановление); в гальваническом элементе катод заряжен положительно.

Потенциал катода больше потенциала анода, соответственно, в медно-цинковом элементе цинковый электрод является анодом, а медный – катодом.

Для элемента Даниэля–Якоби при стандартных условиях и при [Zn²⁺] = [Cu²⁺] = 1 моль/л

поэтому ЭДС = В.

Схема цепи гальванического элемента записывается в виде

(–) Zn | Zn²⁺|| Cu²⁺| Cu (+)

или

(–) Zn | ZnSO₄|| CuSO₄ | Cu (+).

Слева записывается анод, а справа – катод. Одна вертикальная черта изображает фазовый раздел между металлом и раствором электролита. Двойная вертикальная линия отделяет анодное пространство от катодного. В круглых скобках знаками «плюс» и «минус» обозначают полюсы электродов.

Концентрационный гальванический элемент представляет собой металлический гальванический элемент, составленный из двух одинаковых по природе электродов, погруженных в растворы своих солей с различными концентрациями. Например, серебряный гальванический элемент

(–) Ag | AgNO₃ (0,001 M) || AgNO₃ (0,1M) | Ag (+).

Здесь левый электрод с меньшей концентрацией является анодом, а правый – с большей концентрацией – катодом.

В некоторых случаях металл электрода не претерпевает изменений в ходе электродного процесса, а участвует только в передаче электронов от восстановленной формы вещества к его окисленной форме. Так, в гальваническом элементе

(–) Pt | Fe⁺², Fe⁺³ || MnO₄^–, Mn⁺² , H⁺ |Pt (+)

роль инертных электродов играет платина. На платиновом аноде окисляется железо (II):

Fe⁺² = Fe⁺³ + e ^–,

а на платиновом катоде восстанавливается марганец (VII):

MnO₄^–+ 8H⁺+ 5 e ^– = Mn⁺²+ 4H₂O.

Умножив первое из этих уравнений на пять и сложив со вторым, получаем суммарное уравнение протекающей реакции:

5Fe⁺²+ MnO₄^–+ 8H⁺= 5Fe⁺³+ Mn⁺²+ 4H₂O.

Согласно уравнению 9.3.3. можно рассчитать электродные потенциалы и, соответственно, ЭДС полученного гальванического элемента.

Дата добавления: 2014-11-06