Гальванические элементы

Каждые два металла, будучи погруженными в растворы их солей, которые сообщаются между собой посредством сифона, заполненного электролитом, образуют гальванический элемент. Пластинки металлов, погруженные в растворы, называются электродами элемента.

Если соединить наружные концы электродов (полюсы элемента) проволокой, то от металла, у которого величина потенциала меньше, начинают перемещаться электроны к металлу, у которого она больше (например, от Zn к Pb). Уход электронов нарушает равновесие, существующее между металлом и его ионами в растворе, и вызывает переход в раствор нового количества ионов – металл постепенно растворяется. В то же время электроны, переходящие к другому металлу, разряжают у его поверхности находящиеся в растворе ионы - металл выделяется из раствора. Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом. В свинцово-цинковом элементе цинковый электрод является анодом, а свинцовый – катодом.

Таким образом, в замкнутом гальваническом элементе происходит взаимодействие между металлом и раствором соли другого металла, не соприкасающимися непосредственно друг с другом. Атомы первого металла, отдавая электроны, превращаются в ионы, а ионы второго металла, присоединяя электроны, превращаются в атомы. Первый металл вытесняет второй из раствора его соли. Например, при работе гальванического элемента, составленного из цинка и свинца, погруженных соответственно в растворы Zn(NO₃)₂ и Pb(NO₃)₂ у электродов происходят следующие процессы: Zn – 2ē ® Zn²⁺ Pb²⁺ + 2ē ® Pb

Суммируя оба процесса, получаем уравнение Zn + Pb²⁺ ® Pb + Zn²⁺, выражающее происходящую в элементе реакцию в ионной форме. Молекулярное уравнение той же реакции будет иметь вид:

Zn + Pb(NO₃)₂ ® Pb + Zn(NO₃)₂

Электродвижущая сила гальванического элемента равна разности потенциалов двух его электродов. При определении его всегда вычитают из большего потенциала меньший. Например, электродвижущая сила (Э.д.с.) рассмотренного элемента равна:

Такую величину она будет иметь при условии, что металлы погружены в растворы, в которых концентрация ионов равна 1 г-ион/л. При других концентрациях растворов величины электродных потенциалов будут несколько иные. Их можно вычислить по формуле: E = E⁰ + (0,058 / n) • lgC

где E - искомый потенциал металла (в вольтах) E⁰ - его нормальный потенциал

n - валентность ионов металла С - концентрация ионов в растворе (г-ион/л)

Пример

Найти электродвижущую силу элемента (э. д. с.) образованного цинковым электродом, опущенным в 0,1 М раствор Zn(NO₃)₂ и свинцовым электродом, опущенным в 2 М раствор Pb(NO₃)₂.

Решение

Вычисляем потенциал цинкового электрода: E_Zn = -0,76 + (0,058 / 2) lg 0,1 = -0,76 + 0,029 • (-1) = -0,79 v

Вычисляем потенциал свинцового электрода:

E_Pb = -0,13 + (0,058 / 2) lg 2 = -0,13 + 0,029 • 0,3010 = -0,12 v

Находим электродвижущую силу элемента: Э. д. с. = -0,12 – (-0,79) = 0,67 v