Гальванический элемент (ГЭ)
Гальванический элемент – устройство, в котором энергия химических окислительно-восстановительных процессов преобразуется в электрическую энергию. Как было показано в 1-й части практикума, – реакции окисления- восстановления протекают с участием электронов. Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц, электронов, ионов. Гальванический элемент состоит из двух электродов - металлических пластин, погруженных в растворы. Металл в растворе собственной соли называется полуэлементом. Например, медно-цинковый гальванический элемент или элемент Вольта можно представить в виде следующей схемы:
(металл) Zn (тв) │ раствор Zn+2 ║ раствор Cu+2 │Cu(тв) (металл),
Полуэлемент 1 полуэлемент 2
где одной вертикальной чертой │ показана граница раздела твердой и жидкой фаз, а двумя вертикальными чертами ║ - граница раздела двух растворов. Растворы соединяются между собой солевым мостиком, который обеспечивает электронейтральность растворов. Если два металлических электрода соединить между собой проводником, то цепь замкнется и по внешней цепи пойдет электрический ток, силу которого можно измерить. В зависимости от природы металла и концентрации ионов, в растворе на электродах могут протекать следующие процессы:
анод Ме0 - ne → Ме +n окисление
катод Ме+n + ne → Ме0 восстановление.
В случае элемента Вольта, цинковая пластина является анодом, медная – катодом. Поскольку Zn заряжается отрицательно, а Cu - положительно, электроны во внешней цепи движутся от цинка к меди.
Электродный потенциал (φ) - это разность потенциалов между металлом и раствором, содержащим его ионы.
Значение φ электрода зависит от концентрации ионов металла в растворе и от температуры. Зависимость эта строгая, термодинамическая и выражается уравнением Нернста.
φ = φ0(Ме) + RT ln [Ме+n] = φ0(Ме) + 2,303 RT lg [Ме+n] = φ0(Ме) + 2,303 0,059 lg [Ме+n]
NF nF n
φ0 – стандартный электродный потенциал,численно равный потенциалу электрода когда концентрация ионов металла [Ме+n ] равна = 1 моль/л;
R – универсальная газовая постоянная, Т К – температура Кельвина; F – число Фарадея;
n – число электронов, участвующих в электродном процессе; 0,059в = RT/ F = 8,31* 298 / 96500 (в).
ЭД.С. (Е)– электродвижущая силагальванического элемента рассчитывается как разность потенциалов двух электродов соединенных между собой. Э.Д.С. характеризует способность электронов к движению во внешней цепи, поэтому Э.Д.С > 0.Помеждународному соглашению Э.Д.С. направлена слева направо:
Е = φправый электрод–φлевый электрод.
Для элемента Вольта Е = φ(анод) - φ(катод) = φ (Cu) - φ (Zn) или в соответствии с уравнением Нернста:
Е = φ0 (Сu) + 0,059 lg [Cu+2] - φ0 (Zn) - 0,059 lg [Zn+2]
2 2
Стандартный электродный потенциал φ0 (Ме+n ) определяют измерением Э.Д.С. гальванического элемента, составленного из металлического электрода и стандартного водородного электрода, потенциал которого условно принят за ноль. Стандартный водородный электродпредставляет собой платиновую пластину, покрытую рыхлой платиновой чернью, которая погружена в раствор серной кислоты, концентрация ионов водорода в котором равна 1 моль/л. Через раствор под давлением 1 атм = 1,03 105 Па пробулькивает газообразный водород. Этот электрод является обратимым и может функционировать как анод или как катод:
- как анод Pt │ H2 │ H+ (H2SO4), φ 0 = 0,059 lg [Н+]2 = 0
- как катод ║ H+ (H2SO4), │ H2 │ Pt 2 Р(H2)
Стандартные электродные потенциалы для всех известных металлов определены и помещены в таблицу. Чем отрицательнее значение стандартного электродного потенциала, тем сильнее выражены восстановительные свойства металла. Используя значения φ0(Ме),можно представить ряд напряжения металлов, причем место каждого металла в этом ряду говорит о восстановительных свойствах металлов.
Пример. Рассчитать Э.Д.С. гальванического элемента составленного из свинцового и никелевого электрода, помещенных в растворы собственных солей. Концентрация потенциалопределяющих ионов равна: [Ni+2] = 0,01моль/л, [Fe+3] = 0,1 моль/л. Составьте электродные реакции и укажите катод т анод.
Решение: Используя уравнение Нернста, рассчитаем значения электродного потенциала, который возникает на каждом электроде.
Никелевый электрод: φ0(Ni) = -0,25 в + (0,059в/2) lg 10-2 = -0,25в + ( -2 * 0,0295в) = -0,309 в.
Железный электрод φ0(Fe) = -0,037в + (0,059в /3) lg 10-1 = -0,037в + (-1 * 0,0197 )в =-0,056в
Э.Д.С.>0, поэтому Е = φ0(Fe) - φ0(Ni) = -0,056 – (-0,309) = -0,253 в.
Электродные реакции: анод - Fe+3 + 3e = Fe0
катод - Ni0 – 2е = Ni+2 .
Стандартные электродные потенциалы
| Уравнение процесса | Ео, вольт | Уравнение процесса | Ео, вольт |
| AI = AI+3 + 3e- | -1,663 | Mg = Mg +2 + 2e- | -2,363 |
| Ba = Ba+2 + 2e- | -2,905 | Mn = Mn +2 + 2e- | -1,179 |
| Be = Be+2 + 2e- | -1,847 | Cu = Cu+2 + 2e- | 0,337 |
| V = V+2 + 2e- | -1,175 | Cu = Cu+ + e- | 0,520 |
| H2 = 2H+ + 2e- | 0,000 | Na = Na+ + e- | -2,714 |
| Bi = Bi+3 + 3e- | 0,215 | Ni = Ni+2 + 2e- | -0,250 |
| Fe = Fe+3 + 3e- | -0,037 | Sn = Sn+2 + 2e- | -0,136 |
| Fe = Fe+2 + 2e- | -0,44 | 2Hg = Hg 2+2 + 2e- | 0,333 |
| Fe+2 = Fe+3 + e- | 0,771 | Rb = Rb + + e- | -2,925 |
| Au = Au+3 + 3e- | 1,498 | Pb = Pb+2 + 2e | -0,126 |
| Au = Au+ + e- | 1,692 | Pb+2 = Pb+4 + 2e | 1,694 |
| Cd = Cd+2 + 2e- | -0,403 | Ag = Ag+ + e- | 0,799 |
| K = K+ + e- | -2,924 | Sr = Sr+2 + 2e- | -2,888 |
| Ca= Ca+2 + 2e- | -2,866 | Cr = Cr+3+ 3e- | -0,744 |
| Co = Co+2 + 2e- | -0,277 | Cr = Cr+2+ 2e- | -0,913 |
| Co+2 = Co+3 + e- | 1,808 | Zn = Zn+2 + 2e- | -0,763 |
ЗАДАЧИ
161. Рассчитайте Э.Д.С гальванического элемента, составленного из медного и свинцового электродов, погруженных в 0,1 М растворы собственных солей. Напишите уравнения электродных реакций.
162. Рассчитайте Э.Д.С гальванического элемента, составленного из цинкового и магниевого электродов, погруженных в 0,1 М и 0,01 М растворы собственных солей, соответственно. Напишите уравнения электродных реакций
163. Какой электрод – алюминиевый или кадмиевый является катодом при стандартных условиях. Ответ подтвердите расчетом Э.Д.С гальванического элемента и электродными реакциями.
164. Какой электрод – золотой или серебряный анодом при стандартных условиях. Ответ подтвердите расчетом Э.Д.С гальванического элемента и электродными реакциями.
165. Расставьте следующие металлы в порядке ослабления их восстановительных свойств: Mn, Sr, Na, Cu, Pb, Cd. Ответ мотивируйте, используя для этого стандартные электродные потенциалы.
166. Расставьте следующие металлы в порядке усиления их восстановительных свойств: Sn, Cr, Zn, Au, Mg, Ca. Ответ мотивируйте, используя для этого стандартные электродные потенциалы.
167. Какой металл в паре играет роль катода при стандартных условиях и почему:
Мg – Cu; Sr - Co; Ag – Ba; AI – V.
168. Какой металл в паре играет роль анода при стандартных условиях и почему:
K – Ca; Cu - Ni; Zn – Sn; Cd – Cr.
169. Рассчитайте Э.Д.С гальванического элемента, составленного из медного и свинцового электродов, погруженных в 0,1 М и 0,01М , растворы собственных солей, соответственно.
170. Составьте гальванический элемент, составленный из водородного и кадмиевого электродов. Концентрация потенциалопределяющих ионов равна 1 моль/л, давление газообразного водорода 1 атм. Какую роль в этом ГЭ играет водородный электрод? Составьте уравнения электродных реакций.
171. Назовите три металла, которые при стандартных условиях в паре с кальциевым электродом будут выполнять роль анода. Ответ мотивируйте.