Гальванический элемент

Литературный обзор.

Химические хамелеоны.

Химические хамелеоны - это вещества, которые в окислительно-восстановительных реакциях (ОВР) изменяют свой цвет. Для начала разберем, что такое окислительно-восстановительные реакции.

 

ОВР

Окислительно-Восстановительные реакции - или ОВР, это реакции, протекающие с изменением степени окисления реагирующих веществ.

Т.к. изменение степени окисления связано с оттягиванием или перемещением электронов, то можно дать и следующее определение:

ОВР - это реакции, при которых происходит перемещение электронов от одних атомов, молекул, ионов к другим.

В этих реакциях обязательно присутствуют вещества изменяющие степень окисления, называемые окислителями и восстановителями.

Окислитель - это вещество, которое при ОВР присоединяет электроны. Соответственно, окисление - это процесс, при котором Восстановитель отдает электроны.

 

Al -3e = A1³⁺

H₂ -2e = 2H⁺

 

Восстановитель - это вещество, которое при ОВР отдает электроны, Соответственно, восстановление - это процесс, при котором Окислитель принимает электроны.

 

S + 2e= S²⁺

Fe³⁺ +e = Fe²⁺

Таким образом, ОВР представляет собой единство двух противоположных процессов окисления и восстановления. В этих реакциях число присоединяемых окислителем электронов равно числу отдаваемых восстановителем, причем неважно, переходят ли электроны от одного атома полностью, или лишь частично оттягиваются.

 

 

 

Окислительно-восстановительные потенциалы

Гальванический элемент

Окислительно-восстановительные реакции на практике применяют в различных сферах, в результате их протекания может быть получена энергия не только тепловая, но и электрический ток.

В батарейке используется ОВР, за счет нее получается ток. Но откуда появляется ток? Сейчас мы рассмотрим систему образования тока при помощи ОВР.

Приведём простой пример. Возьмем железный гвоздь и опустим его в раствор CuSO_4.

Через некоторое время гвоздь покроется красноватым налетом меди. Прошла типичная ОВР:

Fe ⁰+ Cu⁺² +SO₄= Fe ⁺² SO₄ + Cu ⁰

 

Электроны железа перешли к ионам меди и восстановили их в свободный металл, в растворе остались ионы железа. Усложним опыт. Разделим эти процессы. Пусть электроны от железа потекут к ионам меди по металлическому проводнику. Для этого нальем в стакан раствор сульфата железа (II), опустим железную пластинку, а в другую нальем раствор сульфата меди (II), и опустим туда медную пластинку, соединим обе пластинки проводником, а оба стакана электролитическим ключом, чтобы замкнуть цепь. Теперь, подключив к цепи гальванометр, можно увидеть, что в цепи есть ток. Таким образом, получился гальванический элемент. Появление электрического тока в гальванических элементах объясняют следующим образом: металлы состоят из положительно заряженных ионов и общих для них валентных электронов, при этом заряды ионов уравновешиваются зарядами электронов. При погружении пластинки металла в воду диполи воды поворачиваются отрицательными полюсами к ионам металла, находящимся на поверхности, «втягивают» их в раствор. При этом в пластинке металла остаются лишние электроны, и металл зарядится отрицательно. Гидратированные положительные ионы притягиваются поверхностью пластинки, и на границе металла с раствором образуется двойной электрический слой. Устанавливается подвижное равновесие: какие-то ионы металла переходят в раствор, и в тоже время такое же количество ионов из раствора оседает на металле.

 

Me+mH₂O Meⁿ⁺ ° mH₂O+ne

 

 

в растворе на металле

 

 

Когда уставится равновесие, на границе металла и раствора возникает разность потенциалов (скачок потенциала). Эту разность потенциала называют равновесным электродным потенциалом металла. Если металл поместить в раствор его соли, где уже имеются его Гидратированные ионы, то, очевидно, равновесие сдвинется влево, скачок потенциалов будет меньше и тем меньше, чем больше концентрация соли. В этом случае металл зарядится менее отрицательно, но равновесие наступит быстрее. Равновесный потенциал металла в растворе соли того же металла записывают так: Fe ⁺²/ Fe , Cu⁺²/ Cu.

Металл, погруженный в раствор электролита, принято называть электродом. Если отводить накопившиеся электроны с активного металла, то все больше и больше ионов металла будет покидать кристаллическую решетку и переходить в раствор. Для того, чтобы осуществить отвод электронов, необходимо соединить данный электрод соединить проводником с другим электродом, потенциал которого имеет отличное значение, и замкнуть цепь электролитическим ключом.

Гальванический элемент состоит из двух полуэлементов. В первом протекает процесс окисления (отдача электронов), а во втором - процесс восстановления (присоединения электронов).

Гальванический элемент обычно записывают в виде краткой схемы, где слева помещают более отрицательный электрод, чертой показывают скачок потенциала и указывают электролит, справа - более положительный электрод, двумя чертами показывают границу между растворами. Например, для нашего случая это будет так:

(-)Fe | Fe SO₄ | Cu SO₄ | Cu (+)

Или кратко:

(-)Fe | Fe ²⁺|| Cu ²⁺| Cu (+)

Железный электрод - источник электронов, поступающих во внешнюю сеть, считается отрицательным, а медный - положительным. Электродам даются названия в соответствии процессами, протекающими в них: Электрод, на котором протекает процесс окисления, называется анодом (в нашем случае это железо), а на котором происходит восстановление (здесь - медь) - катодом.