Гальванические элементы. Гальванический элемент – это устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительных реакций непосредственно преобразуетсяв электрическую

Гальванический элемент – это устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительных реакций непосредственно преобразуетсяв электрическую. При этом процессы окисления и восстановления пространственно разделены, а перенос электронов осуществляется через внешнюю цепь.

Окислительно-восстановительные реакции протекают на электродах - системах, состоящих из металлов, погруженных в раствор или расплав электролита. Между металлической фазой электрода и раствором в приэлектродном пространстве происходит непрерывный обмен ионами, молекулами и электронами. В результате перераспределения зарядов на границе металл-раствор возникает двойной электрический слой, характеризуемый скачком потенциала.

Разность потенциалов между металлом и раствором называется электродным потенциалом. Состоянию электродного равновесия соответствует равновесный электродный потенциал. Все факторы, влияющие на химическое равновесие (природа металла, растворителя, концентрация, температура), определяют и величину электродного потенциала.

Стандартным электродным потенциалом (j⁰) называют потенциал металла, погруженного в раствор своей соли с концентрацией ионов 1 моль/л при температуре 298 К и давлении Р = 1,01325·10⁵ Па. Ряд стандартных потенциалов (табл. 6) позволяет дать количественную характеристику электрохимической активности металлов. Чем меньше значение j⁰, тем больше восстановительные свойства металла.

Для вычисления значения электродного потенциала в условиях, отличных от стандартных, пользуются уравнением Нернста:

j = j⁰+ (29)

где Т - температура, К;

F – число Фарадея, равное 96500 Кл/моль;

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль·К;

n – число электронов, принимающих участие в процессе;

– концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Формулу Нернста можно упростить, приняв значение Т=298К:

j = j⁰ + . (30)

Если два электрода соединить проводником, а растворы электрическим ключом, то образуется гальванический элемент (рис. 2).

Анодом является металл с меньшим электродным потенциалом (j_А<j_k ), и на нем происходит процесс окисления:

А Me_A – m = Me (31)

При этом растворяется металлический электрод.

На катоде происходит процесс восстановления катионов электролита (если j_ме > - 1,4 B):

K Me +n = Me (32)

Если j _ме < - 1,4B,то на катоде восстанавливается вода:

K 2H₂O + 2 = H₂ + 2OH^- (33)

Символическая запись (схема) гальванического элемента имеет вид:

А К, если j_А< j_К.

Таблица 5

Стандартные электродные потенциалы j⁰ некоторых металлов

Электрод	j⁰, В	Электрод	j⁰, В
Li⁺/Li	-3,05	Cd²⁺/Cd	-0,40
Rb⁺/Rb	-2,93	Co²⁺/Co	-0,28
K⁺/K	-2,92	Ni²⁺/Ni	-0,25
Ba²⁺/Ba	-2,90	Sn²⁺/Sn	-0,136
Ca²⁺/Ca	-2,87	Pb²⁺/Pb	-0,127
Na⁺/Na	-2,71	2H⁺/H₂	0,00
Mg²⁺/Mg	-2,37	Sb³⁺/Sb	+0,20
Al³⁺/Al	-1,70	Bi³⁺/Bi	+0,22
Ti²⁺/Ti	-1,60	Cu²⁺/Cu	+0,34
V²⁺/V	-1,18	Ag⁺/Ag	+0,80
Mn²⁺/Mn	-1,18	Hg²⁺/Hg	+0,85
Zn²⁺/Zn	-0,76	Pt²⁺/Pt	+1,19
Cr³⁺/Cr	-0,74	Au³⁺/Au	+1,50
Fe²⁺/Fe	-0,44

Граница раздела металл - раствор обозначается одной чертой, а граница раздела между двумя растворами – двумя чертами. Слева обычно записывается анодный электрод. Принцип работы гальванического элемента показан ниже: