Общие замечания о гальванических элементах

Термодинамика равновесных электродных процессов

Гальванический элемент ‑ устройство, обеспечивающее перевод энергии окислительно-восстановительной химической реакции в электрическую путем разделения процессов окисления и восстановления в пространстве.

Электрод ‑ устройство, обеспечивающее протекание процесса окисления или восстановления.

Любой гальванический элемент состоит как минимум из двух электродов.

Пример 1. Известно, что цинк восстанавливает медь из солей в растворах.

Cu²⁺+Zn= Zn²⁺+Cu

Zn-2e®Zn²⁺

Cu²⁺+2e®Cu

Опустим цинковую пластину в раствор ZnSO₄, а медную пластину в раствор CuSO₄.

Соединим пластины металлической проволочкой, обеспечивающей перенос заряда электронами, а два раствора соединим проводящим водным раствором, обеспечивающим перенос заряда ионами.

В таком случае процесс перехода одного атома цинка в раствор сопровождается, с одной стороны, увеличением числа электронов на пластине, а с другой ‑ увеличением числа положительно заряженных ионов (катионов) в растворе. При этом ионы меди, получая электроны, восстанавливаются и осаждаются на металлическую пластину. На цинковой пластине имеется избыток электронов, а на медной ‑ недостаток, что компенсируется переходом электронов по проволоке.

Фактически создано устройство, в котором реализуется направленное движение заряженных частиц, то есть электрический ток.

Гальванические элементы принято описывать в виде схемы, показывающей, какие фазы находятся в контакте. Согласно принятым правилам слева указывается электрод, на котором происходит процесс окисления, а справа ‑ восстановления. Граница раздела фаз обозначается вертикальной чертой, а если в контакте с какой либо фазой находится несколько фаз, то они указываются подряд, через запятую. Так медно-цинковый гальванический элемент может быть схематично описан следующим образом:

Zn½ZnSO₄½CuSO₄½Cu.

Чтобы избежать смешивания водных растворов электролитов, их соединяют не напрямую, а через солевой мостик, т.е. насыщенный раствор какой-нибудь соли.

Zn½ZnSO₄½KNO₃(нас)½CuSO₄½Cu.

Он не оказывает влияния на термодинамические характеристики элемента, но вносит стабильность в его работу. Поэтому в схеме часто его не пишут.

Zn½ZnSO₄½½CuSO₄½Cu

Термодинамическое описание процессов, протекающих в гальваническом элементе. Так как для процессов, протекающих при постоянных p и T, энергия Гиббса связана с работой обратимого процесса, то есть с максимальной работой, которую может совершить система .

E ‑ электродвижущая сила (ЭДС), работа обратимого процесса по переносу единичного положительно заряда с одного электрода гальванического элемента на другой при постоянных температуре и давлении, т.е. , n ‑ число элементарных зарядов, участвующих в элементарном процессе ‑ постоянная Фарадея ‑ максимальное количество электричества, которое может быть перенесено одним молем однозарядных ионов.

ЭДС гальванического элемента величина положительная, т.к. DG самопроизвольного процесса меньше нуля.