Гальванические элементы

Гальваническим элементом (ГЭ) называют устройство, в котором энергия химической реакции непосредственно превращается в электрическую. ГЭ состоит из соединенных между собой металлических электродов, погруженных в растворы их соли. Пластины металлов соединены через показывающий прибор. Полуэлементы соединяются в электрическую цепь с помощью трубки, заполненной токопроводящим раствором (так называемого солевого мостика). На рис.1. приведена схема медно-цинкового гальванического элемента (Якоби-Даниэля). −Zn/Zn²⁺/ /Cu²⁺/Cu+

3

1 5

2 4

Zn Cu

- +

ZnSO₄ CuSO₄

Рис. 1. Схема гальванического элемента: 1 - электрод (Zn); 2- сосуд с раствором ZnSO₄; 3 - солевой мостик; 4- сосуд с раствором CuSO₄; 5- электрод (Си).

Выписываем значения электродных потенциалов для цинка и меди из таблицы №3:

j ⁰ = 0,337 В j ⁰ = −0,763 В

Cu²⁺ / Cu⁰ Zn²⁺ / Zn⁰

Металл, имеющий меньшее значение электродного потенциала считается анодом и он окисляется.

Видим, что значение потенциала для цинка меньше, чем для меди, делаем вывод, что цинк

анод (выполняет функцию отрицательного электрода) А Zn⁰ - 2ē ® Zn²⁺

Металл, имеющий большее значение электродного потенциала считается к атодом и он восстанавливается.

Реакция на правом электроде для меди, так как он катод (выполняет функцию положительного электрода) соответствует процессу восстановления:

К Сu²⁺ + 2ē ® Cu⁰

Гальванические элементы изображаются следующей записью:

− Zn⁰ / ZnSO₄ / / CuSO₄ / Cu⁰ + или в ионной форме: − Zn⁰ / Zn²⁺ / / Cu²⁺/ Cu⁰

в которой вертикальные линии символизируют границу металл - раствор, а двойная - границу между растворами электролитов.

Работа ГЭ оценивается величиной его Э.Д.С.(наибольшее напряжение, которое может дать ГЭ). ЭДС гальванического элемента представляет собой разность электродных потенциалов окислителя и восстановителя, то есть равна разности электродных потенциалов катода и анода.

Е = j _К⁰ − j_А ⁰ (1) Е_теор=j _К^расч − j_А^расч

Электродный потенциал металла зависит от концентрации его ионов в растворе.

Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

где j - стандартный потенциал металла, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, n - число рабочих электронов, переходящих от анода к катоду, F - число Фарадея 1F= 96500 Кл, С - концентрация ионов металла.

Если в приведенном уравнении заменить константы R и F их численным значениями, а натуральный логарифм десятичным, то оно примет следующий вид:

Если концентрации растворов у электродов неодинаковы, то сначала рассчитывают новые значения потенциалов для катода и анода с поправкой на концентрацию по уравнению Нернста, а затем подставляют в уравнение (1).

Концентрационный гальванический элемент (КГЭ) состоит из двух пластин одного металла, погруженных в растворы его соли, которые отличаются лишь концентрацией. −Zn⁰/Zn²⁺/ / Zn²⁺/Zn⁰+

3

1 5

2 4

Zn Zn

- +

ZnSO₄ ZnSO₄

С₁ С₂ Рис. 2. Схема гальванического элемента: 1,5 - электроды (Zn); 2, 4 - сосуды с раствором ZnSO₄; 3 - солевой мостик.

Электрод, который погружен в раствор с меньшей концентрацией считается анодом.

Допустим, С₁ < С₂, тогда левый электрод 1 является анодом, а правый электрод 2 будет катодом. КГЭ работает до тех пор, пока не выровняются концентрации С₁’= C’₂.