Гальванический элемент Даниэля-Якоби

Рассмотрим принцип работы и окислительно-восстановительные реакции на примере медно-цинкового гальванического элемента (Даниэля-Якоби) (рис. 1).

Цинк, имеющий отрицательный электродный потенциал, выс­тупает в качестве анода и будет окисляться:

Zn^o - 2е^- → Zn²⁺.

На медном катоде будут восстанавливаться ионы меди

Cu ²⁺ + 2e^- → Cu^o.

Суммарное уравнение реакции выглядит так:

Zn^o + Cu ²⁺ → Zn²⁺ + Cu^o.

Схема гальванического элемента:

(-) Zn | Zn SO₄ | | Cu SO₄ | Cu (+). За счет окислительно-восстановительной реакции во внешней цепи течет электрический ток, который можно зафиксировать прибором, а по внутренней цепи движутся ионы SO₄ ^2- ,тем самым создается ионное равновесие в растворе. Гальванический элемент работает, пока не растворится весь анод или пока электродные потенциалы анода и катода не примут одинаковые значения.

Рис.1.Схема медно-цинкового гальванического элемента

По значениям стандартных электродных потенциалов или алгебраической суммы окислительно-восстановительных потен­циалов частных реакций определяется ЭДС элемента:

ЭДС = 0,34 - (- 0,76) = 1,1 В.

При изменении стандартных условий расчет ведется с использованием уравнения Нернста.

Гальванический элемент, в котором электродвижущая сила (ЭДС) возникает за счет различной концентрации растворов электролитов, в которые погружены одинаковые металлические электроды, называется концентрационным гальваническим элементом. Элект­род, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, яв­ляется анодом, а с большей – катодом.

(-) Мg | Mg²⁺ (С₁) || Mg²⁺ (С₂) | Mg (+) С₁ Ð С₂.

Концентрационный гальванический элемент работает до тех пор, пока не сравняются концентрации растворов.

При работе элемента его ЭДС постепенно уменьшается вследст­вие смещения потенциалов электродов от равновесного состоя­ния. Это явление получило название поляризации.

Лабораторная работа № 3

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Опыт 1. Изготовление медно-цинкового элемента.

Одну пробирку заполните доверху 1 М раствором сульфата цинка, другую – 1 М раствором сульфата меди. Пробирки соеди­ните электролитным мостиком, заполненным насыщенным раство­ром хлорида калия в смеси с агар-агаром. Опустите в раствор сульфата цинка ZnSO₄ цинковую пластинку, а в раствор сульфата меди CuSO₄ – медную (плас­тинки предварительно очистите наждачной бумагой). Пластинки соедините электрическим проводом с гальванометром. Наблюдайте отклонение стрелки гальванометра, указывающее на возникнове­ние электрического тока.

Составьте схему гальванического элемента. Напишите урав­нения химических реакций, протекающих на электродах гальвани­ческого элемента, и суммарное уравнение химической реакции, в результате которой возникает электрический ток в данном элементе.

Используя числовые значения стандартных электродных по­тенциалов цинка и меди, вычислите ЭДС медно-цинкового гальва­нического элемента.

В каком направлении перемещаются электроны во внешней цепи? Какие ионы и в каком направлении перемещаются в раст­воре?

Опыт 2. Изготовление концентрационного гальванического элемента.

Заполните две пробирки растворами сульфата меди раз­ной концентрации: первую – 2 M раствором CuSО₄, вторую – 0,02 M раствором CuSO₄. Соедините пробирки электролитным мостиком. Опустите в каж­дую пробирку медные пластинки и соедините их проводками с гальванометром.

Составьте схему концентрационного гальванического эле­мента. Напишите уравнения химических процессов, протекающих на электродах.

Используя значение стандартного потенциала медного электрода и уравнение Нернста, вычислите электродный потен­циал катода и анода, а также ЭДС концентрационного гальва­нического элемента.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие приборы называются гальваническими?

2.Что такое двойной электрический слой?

3.Что такое электродный потенциал? Его расчет по уравнению Нернста.

4. Электрохимический ряд стандартных электродных потенциа­лов. Его сущность и практическое значение.

5. Какие гальванические элементы называются концентрацион­ными? Принцип работы.

6. Вычислите потенциал свинцового электрода в насыщенном растворе бромида свинца, если концентрация иона свинца состав­ляет 10^-5 г-ион/л.

7. Насколько изменится потенциал цинкового электрода, если раствор соли цинка, в который он погружен, разбавить в 10 раз?

8. В гальваническом элементе протекает реакция

Cd + CuSO₄ → CdSО₄ + Cu.

Составьте схему элемента, покажите окислительно-восстанови-тель­ный процесс и вычислите ЭДС по стандартным значениям потенциа­лов катода и анода.

9. Какие процессы происходят на электродах гальванического, элемента

Zn│Zn²⁺(C₁ ) | Zn²⁺ (C₂) │Zn (C₁< C₂) ?

Рассчитайте ЭДС такого элемента, зная, что C₂ = 100 С₁.

10. Вычислите ЭДС элементов:

Sn │ Sn²⁺(0,1 М) || Ag⁺(1 М) │Ag.

Cu │Cu²⁺(0,01 М) || Ag⁺ (2 М)│ Ag.

Cd │Cd²⁺( 0, 003 М) || Cu²⁺ (0,1 М)│Cu.

Тест для подготовки к экзамену

1. Укажите вид энергии, которая вырабатывается при работе гальванических элементов.

1) химическая;

2) электрическая;

3) тепловая;

4) световая.

2. Электродвижущая сила гальванического элемента определяется по формуле

1) ЭДС = j_а^° - j_к^°;

2) ЭДС = j_к^° - j_а^°;

3) ЭДС = j_к^° + j_а^°;

4) ЭДС = j_а^° + j_к^°.

3. Процесс, протекающий на аноде в гальваническом элементе, –

1) восстановление;

2) окисление;

3) окисление и восстановление.

4. Процесс, протекающий на катоде в гальваническом элементе, –

1) окисление;

2) восстановление;

3) окисление и восстановление.

5. Укажите цепь гальванического элемента, которая составлена верно.

1) Pb | Pb(NO₃)₂ || Mg(NO₃)₂ | Mg;

2) Mg | Mg(NO₃)₂ || Pb(NO₃)₂ | Pb;

3) Mg(NO₃)₂ Mg || Pb(NO₃)₂ | Pb;

4) Mg | Mg(NO₃)₂ || Pb | Pb(NO₃)₂ .

6. Стандартные электродные потенциалы меди и алюминия равны соответственно + 0,34 В; - 1,66 В. Какой металл является анодом, если цепь гальванического элемента образована медным и алюминиевым электродами?

1) медь;

2) алюминий;

3) оба металла.

7. Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?

1) ZnSO₄ | Zn || Cu | CuSO₄;

2) Zn | ZnSO₄ || CuSO₄| Cu;

3) Zn | ZnSO₄ || Cu | CuSO₄.

8. Какой вид энергии переходит в электрическую в гальваническом элементе?

1) световая;

2) механическая;

3) химическая;

4) тепловая.

9.Стандартные электродные потенциалы меди и никеля равны соответственно + 0,34 В, - 0,23 В. Какой металл является катодом, если цепь гальванического элемента образована медным и никелевым электродами?

1) никель;

2) медь;

3) никель и медь.

10. Стандартные электродные потенциалы меди, железа и магния равны соответственно + 0,34 В; - 0,44 В; - 2,37 В. Какой металл более активный?

1) медь;

2) железо;

3) магний;

4) железо и магний.

11. В какой вид энергии переходит химическая в гальваническом элементе?

1) тепловую;

2) световую;

3) электрическую;

4) механическую.

12. Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?

1) Cu | Cu(NO₃)₂ || AgNO₃ | Ag;

2) Cu | Cu(NO₃)₂ || Ag | AgNO₃;

3) Cu(NO₃)₂ | Cu || Ag | AgNO₃.

13. Стандартные электродные потенциалы свинца и марганца равны соответственно - 0,13 В; - 1,18 В. Какой металл является анодом, если цепь гальванического элемента составлена марганцевым и свинцовым электродами?

1) марганец;

2) свинец;

3) оба металла.

14. Стандартные электродные потенциалы серебра и никеля равны соответственно + 0,80 В; - 0,23 В. Какой металл является катодом, если цепь гальванического элемента составлена из серебряного и никелевого электродов?

1) никель;

2) серебро;

3) оба металла.

15. Стандартные электродные потенциалы никеля и цинка равны соответственно - 0,23 В; - 0,76 В. Какой металл является источником электронов, если цепь гальванического элемента составлена двумя электродами: никелевым и цинковым?

1) никель;

2) цинк;

3) оба металла.

16.Стандартные электродные потенциалы железа и алюминия равны соответственно - 0,44 В; - 1,66 В. Какой процесс протекает на алюминиевом электроде, если цепь гальванического элемента образована двумя электродами: алюминиевым и железным?

1) окисление;

2) восстановление;

3) окисление и восстановление.

17. Стандартные электродные потенциалы меди и цинка равны соответственно + 0,34 В; - 0,76 В. Гальваническая цепь составлена двумя электродами: цинковым и медным. Какой процесс протекает на медном электроде?

1) окисление;

2) восстановление;

3) оба процесса.

18. Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваническом элементе Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu ?

1) Cu⁰ + Cu⁺² → Zn⁺² + Zn⁰_;

2) Cu⁰ + Zn⁺² → Zn⁰ + Cu⁺²;

3) Zn⁰ + Cu⁺² → Zn⁺² +Cu⁰;

4) Cu⁰ + Zn⁰ → Cu⁺² +Zn⁺².

19. Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?

1) Pb | Pb(NO₃)₂ || Fe | Fe(NO₃)₂;

2) Fe | Fe(NO₃)₂ || Pb(NO₃)₂ | Pb;

3) Pb(NO₃)₂ | Pb || Fe | Fe(NO₃)₂.

20. Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваническом элементе Al | Al₂(SO₄)₃ || FeSO₄| Fe ?

1) 2Al⁰ + 2Al⁺³ → 3Fe⁺² + 3Fe⁰;

2) 2Al⁰ + Fe⁰ → 2Al⁺³ + 3Fe⁺²;

3) 2Al⁰ +3Fe⁺² → 2Al⁺³ + 3Fe⁰.

21.Электродные потенциалы алюминия, цинка и золота равны соответственно - 1,70 В; - 0,76 В; + 1,50 В. Какой металл более активен?

1) золото;

2) алюминий;

3) цинк.

22. Электродные потенциалы магния, цинка и меди равны соответственно - 2,37 В; - 0,76 В; + 0,34 В. Какие металлы могут быть анодами в гальванических элементах?

1) Cu;

2) Zn;

3) Mg;

4) Mg и Zn.

23. Составлена схема гальванического элемента

Mg | MgSO₄ || ZnSO₄ | Zn. Какой процесс протекает на аноде?

1) Zn⁰ - 2e^- ® Zn⁺²;

2) Mg⁰ - 2e^- ® Mg⁺²;

3) Mg⁺² +2e^- ® Mg⁰;

4) Zn⁺² +2e^- ® Zn⁰.

24. Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваническом элементе Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu ?

1) Cu + ZnSO₄ → CuSO₄ + Zn;

2) Zn + Cu → ZnSO₄ + CuSO₄;

3) Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.

25. Какой процесс протекает на катоде в данном гальваническом элементе Ni | NiSO₄ || CuSO₄ | Cu ?

1) Cu⁰- 2e^- ® Cu⁺²;

2) Cu⁺²+ 2e^- ® Cu⁰;

3) Ni⁰- 2e^- ® Ni⁺²;

4) Ni⁺²+ 2e^- ® Ni⁰.

Ответы на тест:

Номер вопроса
Вариант ответа
Номер вопроса
Вариант ответа
Номер вопроса
Вариант ответа

ЭЛЕКТРОЛИЗ

Электролизом называются окислительно-восстановительные реакции, протекающие на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор электролита или через его расплав.

Электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника тока, называется катодом.На катоде происходит процесс восстановления.

Электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, называется анодом. На аноде происходит процесс окисления.

Таким образом, в процессах электролиза электрическая энергия переходит в химическую энергию. На характер и течение электродных процессов при электролизе большое влияние оказывают: состав электролита, растворитель, материал электродов, режим электролиза (напряжение, плотность тока, температура и др.).

Электролиз может происходить не при любой разности потенциалов (напряжении), а при вполне определенной, называемой потенциалом разложения Е_разл. Потенциал разложения – это наименьшее напряжение, при котором начинается электролиз данного соединения. Следует различать электролиз расплавленных электролитов и их растворов (с участием воды).