Електродні потенціали. Гальванічний елемент

Холодна концентрована нітратна кислота пасивує Al, Cr, Be, Pb, Sn, Mn, Fe внаслідок утворення на їх поверхнях захисних оксидних плівок.

Холодна концентрована H2SO4 пасивує Al, Сr, Fe внаслідок утворення на їх поверхнях захисних оксидних плівок.

При взаємодії розбавленої нітратної кислоти з малоактивними металами, які стоять в ряді активності після водню, а також з металами середньої активності відновлення проходить до NO. Розбавлена нітратна кислота може відновлюватися до NO, N₂O, N₂, NH₃ або NH₄NO₃. Як правило, амоніак виділяється, коли беруть сильно розбавлену кислоту і активний метал. Амоніак, що виділяється, взаємодіє з нітратною кислотою, утворюючи амонійну сіль.

3Be + 8HNO_3(p) 3Be(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

4Ca + 10HNO_3(p) = 4Ca(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

При дії концентрованої HNO₃, яка реагує практично з усіма металами (див. схему), звичайно виділяється NO₂, незалежно від активності металу.

Сu + 4HNО_3(к) = Cu(NО₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

Zn + 4HNО_3(к) = Zn(NО₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

Процеси взаємного перетворення хімічної і електричної форм енергії називають електрохімічними процесами. Вони найчастіше відбуваються у реальних системах, в яких існує контакт металічної поверхні з розчином електроліту. Провідники з електронною провідністю (провідники 1-го роду) називають електродами, а йонні провідники (провідники 2-го роду) – електролітами.

Здатність металів до утворення вільних позитивно заряджених йонів яскраво виявляється в реакціях витіснення металів з їхніх солей іншими, активнішими металами або під час взаємодії з кислотами-неокисниками. Так, якщо цинкову пластинку занурити в розчин купрум (ІІ) сульфату, то відбудеться окисно-відновна реакція

Zn + Cu²⁺ = Cu + Zn²⁺.

Ця реакція відбувається, наприклад, у гальванічному елементі, в якому цинкова пластинка (один електрод) занурена у розчин цинк сульфату, а мідна (другий електрод) – у розчин купрум (ІІ) сульфату (див. схему нижче). Цинк – активніший метал, тому між цинковим і мідним електродом виникає різниця потенціалів. Під’єднавши цинковий та мідний електроди до гальванометра і з’єднавши розчини U-подібною трубкою, заповненою розчином електроліту, отримують гальванічний елемент. Після встановлення у гальванічному колі контакту стрілка гальванометра відхиляється у напрямку до мідного електрода. Це свідчить про те, що під час роботи гальванічного елемента електрони рухаються від цинкового електрода до мідного.

Гальванічний елемент - це прилад, що служить для перетворення хімічної енергії окисно-відновної реакції на електричну. У гальванічному елементі електрони переходять від відновника до окисника не безпосередньо, а по провіднику електричного струму – по зовнішньому колу. Цей напрямлений потік електронів і є електричним струмом.

На цинковому електроді елемента відбувається розчинення цинку з перетворенням його атомів на йони, тобто процес окиснення:

Zn - 2 ē = Zn²⁺,

а вивільнені електрони по провіднику переходять на мідний електрод, де відбувається розряджання катіонів Купруму (процес відновлення), що супроводжується виділенням металічної міді:

Cu²⁺ + 2 ē = Cu.

Сумарне рівняння реакції, внаслідок якої у колі виникає електричний струм, матиме вигляд

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu.

Електрод, на якому відбувається процес окиснення, називається анодом, а електрод, на якому відбувається процес відновлення,– катодом.

Схематично описаний гальванічний елемент записують так:

(–) Zn|ZnSO₄||CuSO₄|Cu (+),

Зліва записують анод, справа – катод. Однією вертикальною лінією вказується межа „метал-розчин“, двома – „розчин-розчин“.

Різниця потенціалів між електродами (φ) визначає напругу Е (електрорушійну силу) гальванічного елемента.

Для обчислення E від величини потенціалу катода слід відняти величину потенціалу анода.

Е = φ_к – φ_а,

φ_к – потенціал катоду, В;

φ_а – потенціал аноду, В.

Величина електродного потенціалу залежить від температури, концентрації йонів металу. Дана залежність електродного потенціалу виражається рівнянням Нернста:

φ = φ⁰ ,

де φ⁰ – стандартний електродний потенціал, В;

R – універсальна газова стала, 8,31 Дж/моль·К;

T – температура, К;

n – кількість електронів, що беруть участь у електрохімічному процесі;

F – стала Фарадея – 96500 Кл/моль;

[ Me ⁿ⁺ ] – концентрація йонів металу в розчині, моль∙екв/дм³.

Якщо перейти від натуральних логарифмів до десяткових, то, для стандартних умов:

Дата добавления: 2015-05-24