Пример решения 6.2

Гальванический элемент состоит из двух электродов и ионного проводника между ними. В качестве электродов используются металлы, уголь и другие вещества, обладающие электронной проводимостью (проводники I рода). Ионным проводником (проводником II рода) служат растворы или расплавы электролитов. Для обеспечения работы гальванического элемента, электроды соединяют друг с другом металлическим проводником, называемым внешней цепью. В качестве ионного проводника используется «соляный мостик», заполненный, например, насыщенным раствором KCl.

6.2.1. Рассмотрим гальванический элемент, состоящий из двух металлов, например, Al и Ni, погруженные в растворы собственных солей. Заданный гальванический элемент может быть представлен схемой:

Схема гальванического элемента также может быть записана в виде:

Одинарной вертикальной чертой показана граница между металлом и электролитом, а двойной – граница между электролитами.

Пользуясь данными Приложения 3, выписываем значения стандартных электродных потенциалов для каждого электрода:

= –1,66 В; = –0,25 В.

Сопоставление значений электродных потенциалов показывает, что большее количество электронов находится на поверхности алюминиевого электрода, поэтому на схеме гальванического элемента слева ставим знак (–), а никелевый электрод по сравнению с алюминиевым является более положительным, поэтому справа ставим знак (+). При замыкании внешней цепи электроны начинают переходить от алюминиевого электрода к никелевому, что на схеме указывается в виде стрелки сверху.

6.2.2. Учитывая, что электроны по внешней цепи движутся от восстановителя к окислителю и процесс отдачи электронов приводит к окислению, а приём электронов – к восстановлению, записываем реакции на электродах:

(–) анод: Al⁰ - 3 → Al³⁺ (окисление);

(+) катод: Ni²⁺ + 2 → Ni⁰ (восстановление).

Данные реакции протекают во внутренней цепи гальванического элемента.

Далее проводим расчет электродных потенциалов с учетом заданных концентраций растворов, например 0,001 моль/л.

Для этого используем уравнение Нернста для металлического электрода:

= + lg [Me ^z+ ],

где – стандартный электродный потенциал,

z – количество электронов, участвующих в элементарном акте окисления или восстановления;

[Me ^z+ ] – концентрация ионов металла в растворе.

= -1,66 + lg (0,001) = -1,66 + (-3) = -1,72 В.

= -0,25 + lg (0,001) = -0,25 + (-3) = -0,34 В.

6.2.3. Проводим расчет ЭДС (ε) гальванического элемента и Δ G протекающей в нем реакции, помня, что z берется с учетом электронного баланса:

ε = φ_ок. - φ_восст. = -0,34 - (-1,72) = 1,38 В.

Δ G = - zF ε = -6×96500×1,38×10^-3 = -799 кДж.

Так как значение Δ G < 0, то процесс в данном гальваническом элементе термодинамически вероятен.

Задание 6.3. Составьте схемы электролиза и рассчитайте массу металла, выделяющегося на катоде по приведенным данным (табл. VI.3) при 3-х разных условиях его проведения:

6.3.1. Из раствора соли металла, при использовании растворимого анода.

6.3.2. Из раствора соли металла, при использовании нерастворимого анода.

6.3.3. Из расплава соли металла, при использовании растворимого анода.