загрузка...
 
10.4. Гальванические элементы
Повернутись до змісту

10.4. Гальванические элементы

Гальванические элементы – это химические источники электрического тока.

Гальванический элемент содержит два металлических электрода, которые отличаются значениями своих электродных потенциалов. Электроды соединены между собою проводником и погружены в раствор электролита (рис. 10.6). Более активный металл является анодом, на котором протекает окисление, а менее активный – катодом, на котором протекает восстановление. Электроны, которые освобождаются при окислении анода, перемещаются на катод. Благодаря пространственному разделению полуреакций окисления и восстановления возникает электрический ток.

Рисунок 10.6 – Простейший гальванический элемент

Гальваническим элементом называется устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую.

Окислительно-восстановительная реакция самопроизвольно протекает в том направлении, при котором металл с более высоким значением электродного потенциала является окислителем (катодом).

Итак, катодом (окислителем) является электрод, изготовленный из менее активного металла, электродный потенциал которого более положителен. Именно поэтому катод в схемах гальванических элементов обозначается знаком плюс. И, наоборот, анодом (восстановителем) является электрод, изготовленный из более активного металла, у которого электродный потенциал более отрицателен, поэтому анод обозначается знаком «минус».

Для примера рассмотрим гальванический элемент Якоби-Даниэля (рис. 10.7). Он состоит из цинкового и медного электродов, погруженных в растворы электролитов – солей ZnSO4 и CuSO4 соответственно концентрации 1 моль/л. Электролиты соединены через

Рисунок 10.7 – Гальванический элемент Якоби-Даниэля

электролитический мостик, который позволяет ионам перемещаться из одного раствора электролита в другой.

Стандартные электродные потенциалы цинка и меди равны:

 = -0,76В, = +0,34В.

Если гальваническую цепь замкнуть, то происходит окисление анода:

(-)А:   Zn0(тв) - 2?  Zn2+(р-р).

Часть электронов переходит с более активного цинка на менее активную медь. При появлении избыточных электронов на медном катоде катионы Cu2+ из раствора CuSO4 перемещаются к поверхности катода и восстанавливаются на ней:

(+)К:    Cu2+(р-р) + 2?  Cu0(тв).

В результате протекания обеих полуреакций сохраняется разность потенциалов между электродами и возникает постоянный электрический ток - направленное движение электронов во внешней цепи от анода к катоду.

Атомы цинка с поверхности электрода в результате окисления превращаются в ионы и переходят в раствор ZnSO4, который должен заряжаться положительно. С другой стороны, катионы Cu2+ из раствора CuSO4 перемещаются к катоду и восстанавливаются на нем, поэтому за счет нескомпенсированного количества ионов SO42- этот раствор должен заряжаться отрицательно. Однако этого не происходит, потому что электронейтральность растворов обеспечивается переходом ионов SO42- через электролитический мостик из прикатодного пространства в прианодное.

Схема гальванического элемента Якоби-Даниэля изображается с помощью условной записи

А(-)    Zn| ZnSO4 || CuSO4 | Cu       (+)K,

где одной вертикальной чертой обозначается граница раздела между электродом и электролитом, а двумя - между растворами солей. В том случае, когда С(электролита) ? 1моль/л, в схемах указываются концентрации растворов электролитов. Общее уравнение реакции, протекающей при работе гальванического элемента, записывают так:

Zn + CuSO4  Cu? + ZnSO4.

Стандартная электродвижущая сила Е0 (ЭДС) гальванического элемента всегда положительна, ее можно рассчитать по формуле

Е0 = e - e0А,

где e0К и e0А – электродные потенциалы катода и анода соответственно.

Если условия отличаются от стандартных и С(электролита) ? 1моль/л, то величина ЭДС рассчитывается по формуле

Е = eК - eА,

а электродные потенциалы анода и катода (eК и eА) – по уравнению Нернста:

Пример 10.3. Составьте схемы гальванических элементов, в одном из которых никель является анодом, а в другом - катодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения электродных процессов и общее уравнение химической реакции, протекающей в гальваническом элементе. Вычислите стандартную ЭДС.

Решение. В гальваническом элементе с никелевым анодом катодом может служить металл с большим значением стандартного электродного потенциала, например, медь:

 = -0,25В,                = +0,34В.

В качестве электролитов можно взять растворимые соли, например, NiSO4 и CuSO4, причем концентрации их растворов должны быть 1 моль/л, поскольку речь идет о стандартной ЭДС. Схема гальванического элемента

А(-)    Ni| NiSO4 || CuSO4 | Cu        (+)К.

Электронные уравнения электродных процессов и общее уравнение химической реакции, протекающей в гальваническом элементе:

(-)А:   Ni0 - 2? ? Ni2+,

(+)K:   Cu2+ + 2? ? Cu0:

CuSO4 + Ni ? Cu + NiSO4.

Стандартная электродвижущая сила этого гальванического элемента

Е0 = eК0 - eА0 = 0,34 - (-0,25) = 0,59 В.

Если никелевый электрод будет катодом, то в качестве анода необходимо взять более активный металл, например, марганец ( = -1,18В):

А(-)    Mn | MnSO4 || NiSO4 | Ni      (+)К.

Электронные уравнения электродных процессов и общее уравнение химической реакции, протекающей в гальваническом элементе:

(-)А:   Mn0 - 2? ? Mn2+,

(+)K:   Ni2+ + 2? ? Ni0;

NiSO4 + Mn ? Ni + MnSO4.

Стандартная электродвижущая сила

Е0 = eК0 - eА0 = -0,25 - (-1,18) = 0,93 В.

Ключевые слова и термины

Русский

Украинский

Английский

Французский

Арабский

химический источник электрического тока

хімічне джерело електричного струму

chemical current source

source chimique de courant ?lectrique

?????? ????????? ?????? ?????????

Запомните!

В гальваническом элементе процессы окисления и восстановления пространственно разделены.

Анодом является электрод с более отрицательным значением электродного потенциала, а катодом – электрод с более положительным значением электродного потенциала.

Атомы металла на поверхности анода окисляются и переходят в электролит в виде катионов. Катионы металла из прикатодного электролита восстанавливаются и осаждаются на поверхности катода.

Направление электрического тока в гальваническом элементе – от анода к катоду.

Контрольные вопросы

Что называется гальваническим элементом?

Какой электрод в гальваническом элементе является анодом, а какой – катодом?

В каком направлении движется электрический ток?

Опишите гальванический элемент Якоби-Даниэля.

Как рассчитать электродвижущую силу гальванического элемента?

Задания для самостоятельной работы

Предложенные задания имеют по четыре варианта ответов, из которых правильных может быть один или несколько.

Как называется устройство, которое преобразует энергию химической реакции в электрическую и представляет собой систему, составленную из двух соединенных между собой электродов, погруженных в раствор электролита:

            а) электролизер;        б) гальванический элемент; в) аккумулятор; г) топливный элемент?

Схема гальванического элемента имеет вид Al|Al(NO3)3(1M)||AgNO3(1M)|Ag. Рассчитайте ЭДС этого элемента при температуре 298 К. e0Al3+/Al = –1,70 B; e0Ag+/Ag = +0,80 B:

            а) –0,90 В; б) –2,50 В; в) +0,90 В; г) +2,50 В.

Какая окислительно-восстановительная реакция протекает в гальваническом элементе, состоящем из железной пластины, погруженной в раствор FeSO4, и медной пластины, погруженной в раствор CuSO4:

            а) Fe0 + Cu2+  Fe2+ + Cu0; б) Cu0 + Fe2+ Cu2+ + Fe0;

            в) Fe2+ + SO42– FeSO4; г) Cu2+ + SO42–  CuSO4?

В гальваническом элементе катодом является свинцовая пластина, погруженная в раствор Pb(NO3)2. Какой металл можно использовать в качестве анода:

            e0Cu2+/Cu = +0,34 B; e0Pb+2/Pb = –0,13 B; e0Ag+/Ag = +0,80 B; e0Fe2+/Fe = –0,44 B;

e0Al+3/Al = –1,66 В:

            а) Cu; б) Ag; в) Fe; г) Al?



загрузка...