Концентрационные гальванические элементы

Поскольку электродный потенциал металла зависит от концентрации ионов металлов в растворе, можно составить концентрационные гальванические элементы.

При этом пластина металла, погруженного в более разбавленный раствор соли, будет обладать более низким потенциалом и выполнять роль анода. Пластина, погруженная в более концентрированный раствор, выступает в роли катода.

Например: рассчитать ЭДС концентрационного гальванического элемента:

A(-) Ni / NiCl2 // NiCl2 / Ni K(+)

0,00001М 1М

Рассчитаем потенциал никелевой пластины, погруженной в 0,00001М раствор хлорида никеля по уравнению Нернста:

eNi/Ni2+ = e◦ + ∙ lg [ Ni2+ ] = - 0,25 + ∙lg10-5-0,25 +0,029∙(-5) = -0,25+(-0,145) = -0,395B = -0,39B.

Потенциал никелевой пластины, погруженной в 1М раствор соли, равен стандартному электродному потенциалу никеля(-0.85).

Следовательно, ЭДС = Eк – Eа = -0,85 – (-0,39) = 0,14В.

5.4. Электрохимический ряд напряжений металлов. Зависимость электродных потенциалов от концентрации. Уравнение Нернста. Использование таблиц окислительно-восстановительных потенциалов для определения направления окислительно-восстановительных реакций. Расчет энергии Гиббса окислительно-восстановительных процессов по ЭДС гальванического элемента. Практическое использование гальванических элементов.

Если расположить металлы в порядке возрастания их потенциалов, получим ряд стандартных электродных потенциалов, который дает количественную электрохимическую характеристику металла (т.е. активность металлов в растворах).

1.Чем меньше величина электродного потенциала, тем большей восстановительной способностью обладает атом металла (легче отдает валентные электроны).

Ме – ne = Меⁿ⁺.

Следовательно, чем больше величина электродного потенциала, тем больше способность ионов металлов восстанавливаться до атома.

Меⁿ⁺ + ne = Ме.

2.Каждый предыдущий металл, т. е. расположенный в ряду напряжения левее или имеющий меньший стандартный потенциал, вытесняет последующие металлы из водных растворов их солей.

3.Все активные металлы, т.е. расположенные в ряду до водорода, вытесняют водород из кислот, где он выполняет функцию окислителя (HClразб. и конц.; H2SO4 разб.).

4.Большой энергией гидратации иона Li(-515 кДж/г-ат) обусловливается высокоотрицательное значение его потенциала (Е0 = -3,045 B) в сравнении с Na, K и даже Cs (E0 = - 2,923 B).

Величина электродного потенциала зависит:

• от природы металла;

• концентрации катионов;

• температуры.

Количественно эта зависимость выражается уравнением Нернста:

e = e◦ + ∙ ℓn [Men+],

где е – равновесный электродный потенциал, В;

e◦ – стандартный электродный потенциал, В;

R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль0К);

T – температура, 0К;

n – число электронов, принимающих участие в процессе (равное заряду иона);

F – постоянная Фарадея, 96500 Кл/моль.

При температуре 25◦С (298 0К), подставляя значение RT/F и преобразовав ln[Men+] в lg[Men+], получим уравнение Нернста:

e = e◦ + 0,059 ∙ lg[Men+]/n.

Значения окислительно-восстановительных потенциалов в таблице:

Если Eок>Eв , то реакция идет →, если Еок< Ев , то в обратную сторону ←(справа налево).

Еок и Ев - окислительно - восстановительные потенциалы систем.

Работа гальванического элемента, протекающая обычно в изотермических условиях, т.е. при постоянном давлении и температуре, является само произвольным процессом. Поэтому в ходе его происходит уменьшение энергии Гиббса (Δ G), равное максимальной работе элемента (Ам)

Ам = nFE0,

где Е0 – стандартная ЭДС гальванического элемента.

Ам = – ΔG,

где ΔG0 – энергия Гиббса в стандартных условиях.

–ΔG0 = nFE0,

Е0 = –ΔG0/nF .

Используя табличные значения ΔG0 для веществ - участников реакций, можно рассчитать энергию Гиббса и ЭДС для любой окислительно-восстановительной системы.

Применение гальванических элементов:

· Батарейки используются в системе сигнализации, фонарях, часах, калькуляторах, аудиосистемах, игрушках, радио, автооборудовании, пультах дистанционного управления.

· Аккумуляторы используются для запуска двигателей машин, возможно так же и применение в качестве временных источников электроэнергии в местах, удаленных от населенных пунктов.

· Топливные элементы применяются в производстве электрической энергии (на электрических станциях), аварийных источниках энергии, автономном электроснабжении, транспорте, бортовом питании, мобильных устройствах.