Электрохимические процессы

Цель работы: составление и расчет ЭДС гальванического элемента, получение катодного цинка и расчет выхода цинка по току.

В реакциях окисления-восстановления электроны непосредственно переходят от восстановителя к окислителю. Однако, если процессы окисления и восстановления пространственно разделить, а электроны направить металлическому проводнику, то такая система будет представлять собой гальванический элемент.

Гальванический элемент – это устройство, в котором на основе окислительно-восстановительной реакции получают электрический ток, т.е. химическая энергия реакции превращается в энергию электрического тока.

Рассмотрим в качестве примера гальванический элемент.

Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu.

Схематически гальванические элементы записываются в строку, и при этом более активный электрод указывается слева; граница между электродом и раствором обозначается черточкой, а между растворами двумя черточками. Как показывает опыт, электроны по внешнему участку цепи перемещаются от цинка к меди. В гальваническом элементе происходят следующие процессы:

Zn⁰ – 2e = Zn²⁺ (на аноде),

Сu²⁺ (из раствора) + 2e = Cu⁰ (на катоде).

Ионы SO₄^2- через пористую перегородку постепенно диффундируют в сторону цинкового электрода.

В электрохимии названия электродов гальванического элемента даются по отношению к тем процессам, которые на них происходят: на катоде – восстановление катионов, на аноде – окисление анионов или вещества самого анода.

При действии гальванических элементов на электродах возникают электрические потенциалы. Величина этих потенциалов характеризует активность окислителей и восстановителей.

Так как узнать действительную разность потенциалов между металлом и раствором не удается, то вместо этого измеряют относительные электродные потенциалы, пользуясь так называемыми электродами сравнения. Основным электродом сравнения является водородный. Потенциал водородного электрода принимается за нуль. Для измерения электродных потенциалов составляют гальванический элемент, у которого один полуэлемент – нормальный водородный электрод, а второй – металл.

Величина потенциала зависит не только от природы металла, но и от окружающей среды и от концентрации собственных ионов металла в растворе. Зависимость величины электродного потенциала металла от концентрации собственных ионов в растворе отражает формула Нернста.

,

где Е – потенциал металла, помещенного в раствор своей соли,

Е₀ – нормальный потенциал,

n – зарядность металла,

С – концентрация ионов металла (моль/л).

Из формулы видно, что увеличение концентрации ионов приводит к смещению потенциала в сторону положительных значений, уменьшение концентрации – в сторону отрицательных.

Формулой Нернста часто пользуются для расчетов ЭДС гальванических элементов. Электродвижущая сила гальванического элемента равняется разности потенциалов положительного и отрицательного электродов. Поэтому при вычислении ЭДС гальванических элементов нужно предварительно установить величину электродных потенциалов обоих электродов, затем взять указанную разность потенциалов.