Гальванический элемент

Примеры решения задач

Гальванические элементы – это устройство, в которых происходит самопроизвольно переход химической энергии окислительно – восстановительной реакции в электрическую энергию.

Он представляет собой два металлических электрода, опущенные в растворы собственных солей, которые соединены между собой полупроницаемой перегородкой. При замыкании внешней цепи через измерительный прибор, последний покажет напряжение между электродами.

Электрод – это система: металл – раствор электролита. При погружении металла в раствор собственных ионов начинается сложное взаимодействие металла с компонентами раствора. Наиболее важной реакцией, протекающей на электроде, является взаимодействие поверхностных ион –атомов металла, находящихся в узлах кристаллической решетки, с полярными молекулами воды, ориентированными у поверхности электрода. В результате взаимодействия гидратированные ионы металла переходят в раствор, оставляя в металле электроны, заряд которых не скомпенсирован положительно заряженными ионами металла. В результате этого металл становится заряженным отрицательно, а раствор – положительно.

Между металлом и раствором возникает разность потенциалов, получившая название электродного потенциала. При некотором определенном значении электродного потенциала устанавливается равновесие:

гальванический элемент - student2.ru (1)

Данное равновесие характерно для металлического электрода, полученного погружением металла в раствор своей соли.

Помимо металлических электродов существуют и газовые электроды, в которых металл не принимает участия в образовании двойного электрического слоя, а играет роль токоотвода.

В газовых электродах в образовании потенциала принимает участие газ и его ионы из раствора электролита.

Так для водородного электрода при некотором значении электродного потенциала устанавливается равновесие между молекулами и ионами водорода:

гальванический элемент - student2.ru (2)

Для кислородного электрода при некотором значении электродного потенциала устанавливается равновесие между молекулами кислорода и ионами гидроксила:

гальванический элемент - student2.ru (3)

Ионы гальванический элемент - student2.ru и называются потенциалопределяющими для металлического, водородного, кислородного электродов соответственно.

Величина электродного потенциала металлических электродов определяется природой металла, температурой, концентрацией ионов металла в растворе и давлением (для газовых электродов).

Стандартный электродный потенциал, гальванический элемент - student2.ru – это потенциал, который устанавливается на электроде при стандартных условиях: температура гальванический элемент - student2.ru и концентрации потенциалопределяющих ионов 1 моль/л, давление 101,3 кПа (для газовых электродов). Значения стандартных электродных потенциалов приведены в приложении.

Равновесный электродный потенциал, гальванический элемент - student2.ru – это потенциал, который возникает на электроде при данных условиях, которые могут отличаться от стандартных.

Зависимость величины электродного потенциала металлического электрода от активной концентрации потенциалопределяющих ионов при гальванический элемент - student2.ru выражается уравнением Нернста.

гальванический элемент - student2.ru (4)

где гальванический элемент - student2.ru – стандартный электродный потенциал, гальванический элемент - student2.ru гальванический элемент - student2.ru гальванический элемент - student2.ru – число электронов, участвующих в электродной реакции; гальванический элемент - student2.ru активная концентрация потенциалопределяющих ионов, моль/л.

Для водородного и кислородного электродов их равновесные потенциалы можно рассчитать по уравнениям (5),(6) соответственно:

гальванический элемент - student2.ru

где гальванический элемент - student2.ru – стандартные электродные потенциалы водородного и кислородного электродов; гальванический элемент - student2.ru – парциальные давления водорода и кислорода; гальванический элемент - student2.ru – активности в растворе ионов водорода, гидроксила и воды, моль/л.

В гальванических элементах при разомкнутой цепи на электродах устанавливается равновесие, характеризуемое величиной равновесного электродного потенциала. При замыкании цепи равновесие на электродах нарушается и на электроде, потенциал которого более отрицателен, пойдет процесс окисления, а на другом электроде, потенциал которого более положителен,– процесс присоединения электронов – восстановление. Электрод, на котором идет окисление, называют анодом: этот электрод имеет знак минус. Электрод, на котором идет восстановление, называют катодом; он имеет знак плюс.

Важнейшей характеристикой гальванических элементов является электродвижущаяся сила – E (ЭДС). ЭДС – это максимальная разность потенциалов, которая устанавливается на электродах при разомкнутой цепи

гальванический элемент - student2.ru (7)

В работающем гальваническом элементе измеряют не ЭДС, ф напряжение – U. Напряжение гальванического элемента всегда меньше ЭДС из-за омических потерь и поляризации гальванического элемента, гальванический элемент - student2.ru которая равна сумме катодной и анодной поляризаций.

Электродвижущую силу гальванического элемента, кроме формулы (7) можно рассчитать по уравнению (8), если известны активности потенциалопределяющих ионов восстановителя и окислителя:

E = E0+(0,059/n)×(lg a (окисл)/ lg a (восст)) (5)

где гальванический элемент - student2.ru – стандартная ЭДС гальванического элемента; гальванический элемент - student2.ru – активные концентрации восстановителя и окислителя.

Значение ЭДС можно вычислить по уравнению (6), если известны термодинамические характеристики токообразующей реакции:

гальванический элемент - student2.ru (9)

где гальванический элемент - student2.ru – стандартное значение энергии Гиббса токообразующей реакции, кДж/моль; гальванический элемент - student2.ru – число электронов, участвующих в электрохимическом процессе; гальванический элемент - student2.ru – число Фарадея, равное 96500 Дж/(моль×В).

Изменение энергии Гиббса для любой химической реакции, в том числе и электрохимической, рассчитывают по следствию из закона Гесса, как разность между стандартной энергией Гиббса продуктов реакции и энергией Гиббса исходных веществ.

Наши рекомендации