Гальванические элементы

Если окислительно-восстановительную реакцию осуществить так, чтобы процессы окисления и восста­новления были пространственно разделены, и создать возможность перехода электронов от восстановителя к окислителю по проводнику (внешней цепи), то во внешней цепи возникнет направленное перемещение электронов – электрический ток. При этом энергия, химической окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию. Устройства, в которых происходит такое превращение, называются химическими источниками электрической энергии, или гальваническими элементами.

Всякий гальванический элемент состоит из двух электродов – металлов, погруженных в растворы электролитов; последние сообщаются друг с другом обычно через пористую перегородку. Электрод, на ко­тором в ходе реакции происходит процесс окисления, называется анодом; электрод, на котором осуществля­ется восстановление – катодом.

При схематическом изображении гальванического элемента граница раздела между металлом и раство­ром обозначается вертикальной чертой, граница меж­ду растворами электролитов – двойной вертикальной чертой. Например, схема гальванического элемента, в основе работы которого лежит реакция

Zn + 2AgNО₃ = Zn(NО₃)₂ + 2Ag,

изображается следующим образом:

Zn | Zn(NО₃)₂ || AgNО | Ag.

Эта же схема может быть изображена в ионной форме:

Zn | Zn²⁺ || Ag⁺ | Ag.

В данном случае металлические электроды непо­средственно участвуют в происходящей реакции. На аноде цинк окисляется Zn = Zn²⁺ + 2 и в форме ионов переходит в раствор, а на катоде серебро восстанавливается Ag⁺ + =Ag

и в виде металла осаждается на электроде. Склады­вая уравнения электродных процессов (с учетом числа принимаемых и отдаваемых электронов), получаем суммарное уравнение реакции: Zn+2Ag⁺ = Zn²⁺ + 2Ag.

Максимальное напряжение гальванического эле­мента, отвечающее обратимому протеканию происхо­дящей в нем реакции, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента. Если реакция осуществля­ется в стандартных условиях, т. е. если все вещества, участвующие в реакции, находятся в своих стандарт­ных состояниях, то наблюдаемая при этом ЭДС на­зывается стандартной электродвижущей силой дан­ного элемента.

ЭДС гальванического элемента может быть представлена как разность двух электродных потенциалов Е, каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на одном из электродов. Так, для рас­смотренного выше серебряно-цинкового элемента ЭДС выражается разностью:

ЭДС = Е_Ag – Е_Zn .

Здесь Е_Ag и Е_Zn – потенциалы, отвечающие электродным про­цессам, происходящим соответственно на серебряном и цинковом электродах.

При вычислении электродвижущей силы меньший (в алгебраическом смысле) электродный потенциал вычитается из большего.

Пример 1. Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем у кобальта. Изменится ли это соотношение, если измерить потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 г-ион/л, а кобальта – 0,1 г-ион/л?

Решение. Электродный потенциал металла (Е) зави­сит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

Е = Е⁰ + .

Е° для никеля и кобальта соответственно равны – 0,25 и – 0,277В. Определим электродные потенциалы этих металлов при данных в условии концентрациях:

Е_Ni²⁺_/Ni = – 0,25 + lg 10^-3 = – 0,337 В,

Е_Co²⁺_/Co = – 0,277 + lg 10^-1 = – 0,306 В.

Таким образом, при изменившейся концентрации потен­циал кобальта стал больше потенциала никеля.

Пример 2. Магниевую пластинку опустили в раствор его соли. При этом электродный потенциал магния оказался равен –2,41 В. Вычислите концентрацию ионов магния в г-ион/л.

Решение.Подобные задачи также решаются на осно­вании уравнения Нернста:

–2,41 = –2,37 + lg C,

–0,04 = 0,029 lg С,

lgC = – 1,3793= ,6207,
C_Mg²⁺ = 4,17 · 10^-2 г-ион/л.

Пример 3. Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной кон­центрацией 1 г-ион/л. Какой металл является анодом, ка­кой катодом? Напишите уравнение окислительно-восстано­вительной реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, и вычислите его ЭДС.

Решение. Схема данного гальванического элемента

(–) Mg | Mg²⁺ || Zn²⁺ | Zn(+)

Вертикальная черта обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две черточки – границу раздела двух жидких фаз – пористую перегородку (или соедини­тельную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (–2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Mg –2 = Mg²⁺. (1)

Цинк, потенциал которого –0,763В, – катод, т. е. элект­род, на котором протекает восстановительный процесс:

Zn²⁺ + 2 = Zn (2)

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, которая лежит в основе работы данного гальванического эле­мента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:

Mg + Zn²⁺ = Mg²⁺ + Zn

Для определения электродвижущей силы – ЭДС, гальванического элемента из потенциала катода следует вы­честь потенциал анода. Так как концентрация ионов в раст­воре равна 1 г-ион/л, то ЭДС элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:

ЭДС = = – 0,763 – (– 2,37) = 1,607 В.

Коррозия металлов.