Гальванический элемент. Выражение для ЭДС гальванического элемента. Работа гальванического элемента

При любой окислительно-восстановительной реакции происходит переход электронов от восстановителя к окислителю. Так, при опускании цинковой пластинки в раствор сульфата меди происходит реакция

Zn + Cu²⁺ = Си + Zn²⁺

Здесь восстановитель — цинк — отдает электроны. Эта полу­реакция выражается уравнением:

Zn = Zn²⁺ 2е ^-

Окислитель — ион меди — принимает электроны. Уравнение этой полуреакции имеет вид:

Си²⁺ + 2е^- = Си

Эту реакцию можно осуществить таким способом, что окисли­тельная и восстановительная полуреакции окажутся пространст­венно разделенными, а электроны будут переходить от восстано­вителя к окислителю не непосредственно, а по проводнику элек­трического тока — по внешней цепи. Этот направленный поток электронов представляет собою электрический ток. При таком осуществлении окислительно-восстановительной реакции ее энер­гия будет превращена в электрическую энергию, которую можно использовать, включив во внешнюю цепь устройство, потребляю­щее электрическую энергию (например, электронагревательный прибор, электрическую лампу и т. п.).

Гальванические элементы – это устройства, которые применяют для непосредственного преоб­разования энергии химической реакции в электрическую энергию.

В качестве примера на рисунке приведен медно-цинковый гальваниче­ский элемент, работающий за счет энергии приведенной выше ре­акции между цинком и сульфатом меди.

При работе элемента, т. е. при замкну­той цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождаю­щиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. На медном электроде протекает восста­новление ионов меди. Электроны, приходя­щие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла.

Таким образом, при работе гальванического элемента электроны от восстанови­теля переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направлен­ное движение ионов.

Электрод, на котором протекает окисление, называется ано­дом. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом. В медно-цинковом элементе цинковый электрод яв­ляется анодом, а медный — катодом.

Протекающая в гальваническом элементе окислительно-восста­новительная реакция представляет собой сложный процесс. Она включает собственно электрохимические стадии (пре­вращения атомов, ионов или молекул на электродах), пе­ренос электронов, перенос ионов. Все эти стадии со­пряжены между собой и протекают с одной и той же скоростью; число электро­нов, которые за единицу времени отдает цинк, рав­но числу электронов, прини­маемых за это же время ионами меди. Поэтому ско­рость реакции, протекаю­щей в гальваническом эле­менте, пропорциональна ко­личеству электричества, перенесенного по цепи в единицу времени, т. е. силе тока в цепи.

Электрический ток, протекающий по внешней цепи гальваниче­ского элемента, может производить полезную работу. Но работа, которую можно выполнить за счет энергии химической реакции, зависит от ее скорости: она максимальна при бесконечно медлен­ном—обратимом—проведении реакции. Следова­тельно, работа, которую можно произвести за счет реакции, про­текающей в гальваническом элементе, зависит от величины отби­раемого от него тока. Если, увеличивая сопротивление внешней цепи, уменьшать ток до бесконечно малого значения, то и ско­рость реакции в элементе тоже будет бесконечно малой, а ра­бота — максимальной. Теплота, выделяемая во внутренней цепи элемента, будет при этом, наоборот, минимальна.

Работа электрического тока выражается произведением коли­чества прошедшего по цепи электричества на напряжение. В мед­но-цинковом элементе при окислении одного эквивалента цинка и одновременном восстановлении одного эквивалента ионов меди по цепи пройдет один фарадей (F = 96485 кулонов) электричества, так что полезная работа А', которую ток может совершить, будет равна

где V— напряжение между полюсами элемента.

Но поскольку эта работа зависит от силы тока, то и напряже­ние между полюсами элемента тоже зависит от силы тока (F — величина постоянная). В предельном случае, отвечающем обрати­мому протеканию реакции, напряжение будет максимальным.

ЭДС гальванического элемента – это ма­ксимальное значение напряжения гальванического элемента, соответствующее обратимому протеканию реакции.

Для этого предельного случая полезная работа, производимая электрическим током в медно-цинковом элементе при взаимодей­ствии одного эквивалента цинка с одним эквивалентом ионов меди, выразится уравнением

где — э. д. с. элемента.

При взаимодействии одного моля атомов цинка с од­ним молем ионов меди уравнение примет вид:

В общем случае при растворении (или выделении) одного моля вещества, ионы которого имеют заряд равный z, максималь­ная полезная работа связана с э. д. с. уравнением:

При постоянных температуре и давлении максимальная полезная работа реакции равна взятому с обратным знаком изменению энергии Гиббса . Отсюда:

Если концентрации веществ, уча­ствующих в реакции, равны единице, т. е. если соблюдаются стан­дартные условия, то э.д.с. элемента называется его стандарт­ной электродвижущей силой и обозначается Е°. При этом последнее уравнение принимает вид: