Гальванический элемент – схема и принцип работы

Из двух электродов может быть составлена электрохимическая система – гальванический элемент.

Гальванический элемент – устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительных процессов преобразуется в электрическую.

Гальванический элемент состоит из двух электродов и ионного проводника между ними. В качестве электродов используются металлы, уголь и другие вещества, обладающие электронной проводимостью (проводники 1-го рода). Отдельный электрод в гальваническом элементе иногда называют полуэлементом. Ионным проводником (проводником 2-го рода) служат растворы или расплавы электролитов. Для обеспечения работы гальванического элемента, электроды соединяют друг с другом металлическим проводником, называемым внешней цепью. В качестве ионного проводника используется «соляный мостик» – изогнутая (U-образная) стеклянная трубка, заполненная насыщенным раствором хлорида калия KCl. Внутреннюю цепь составляет собственно гальванический элемент.

Существуют определенные правила записи электрохимических систем:

· слева располагают электрод, имеющий более отрицательный потенциал(знак «–»), справа – электрод, имеющий более положительный потенциал(знак «+»):

(–) Al │ AlCl₃ ║ NiCl₂ │Ni (+)

или в ионной форме:

Al │ Al³⁺ ║ Ni²⁺ │Ni;

· растворы отделяют вертикальной пунктирной линией, если они контактируют друг с другом:

Pt, H₂│HCl ¦ CuCl₂│Cu;

двумя вертикальными линиями – если между ними находится соляный мостик:

Zn │ Zn²⁺ ║ Ag⁺ │Ag.

Гальванический элемент может быть сделан из двух одинаковых электродов, помещенных в растворы с различными концентрациями солей (активностями катионов). Металлический электрод, помещенный в более разбавленный раствор, выполняет функцию отрицательного, а помещенный в более концентрированный – положительного электрода. Такая разновидность гальванического элементаназывается концентрационным гальваническим элементом. Схема концентрационного гальванического элемента также может быть записана в виде:

(–) Zn | Zn²⁺ || Zn²⁺ | Zn (+).

Составим гальванический элемент, состоящий из двух металлов, Al и Ni, погруженных в растворы собственных солей (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схема гальванического элемента

Данный гальванический элемент может быть представлен следующей схемой:

Пользуясь табличными данными, выписываем значения стандартных электродных потенциалов для каждого электрода:

= –1,66 В; = –0,25 В.

В паре Al – Ni алюминий имеет более отрицательное значение электродного потенциала, поэтому на схеме гальванического элемента записан слева и обозначен знаком «–», никелевый электрод по сравнению с алюминиевым является более положительным (знак «+»), поэтому записан справа. При замыкании внешней цепи электроны начинают переходить от алюминиевого электрода к никелевому, что на схеме указывается в виде стрелки сверху.

Во внутренней цепи протекают следующие реакции на электродах:

на аноде – процесс отдачи электронов, т.е. окисление

(–)А: Al⁰ – 3 ē → Al³⁺ (окисление);

на катоде - процесс приема электронов, т.е.востановление

(+)К: Ni²⁺ + 2 ē → Ni⁰ (восстановление).

Электроны по внешней цепи движутся от восстановителя к окислителю, с анода на катод (А→К).

Приведем расчет электродных потенциалов с учетом концентраций растворов, например 0,001 моль/л.

Для этого используем уравнение Нернста для металлического электрода:

= + lg [Me^z+],

где – стандартный электродный потенциал,

z – количество электронов, участвующих в элементарном акте окисления или восстановления;

[Me^z+] – концентрация ионов металла в растворе.

= -1,66 + lg (0,001) = -1,66 + (-3) = -1,72 В.

= -0,25 + lg (0,001) = -0,25 + (-3) = -0,34 В.

Проводим расчет ЭДС (E) гальванического элемента и ΔG протекающей в нем реакции, помня, что z берется с учетом наименьшего общего кратного коэффициентов электронного баланса:

E = φ_ок. - φ_восст. = -0,34 - (-1,72) = 1,38 В.

ΔG = -zF E = -6×96500×1,38×10^-3 = -799 кДж.

Так как значение ΔG < 0, то процесс в данном гальваническом элементе термодинамически вероятен.