Гальванический элемент – это химический источник тока, в котором энергия, выделяющаяся при протекании на электродах окислительно-восстановительной реакции, непосредственно преобразуется в электрическую энергию.
Принцип работы гальванического элемента можно рассмотреть на примере элемента Даниэля – Якоби (рис 9.2).
Рис. 9.2. Схема гальванического элемента Даниэля – Якоби
Здесь I – стакан, содержащий раствор ZnSO4 в воде с погруженной в него цинковой пластинкой; II – стакан, содержащий раствор CuSO4 в воде с погруженной в него медной пластинкой; III – солевой мостик (электролитический ключ), который обеспечивает перемещение катионов и анионов между растворами; IV – вольтметр (нужен для измерения ЭДС, но в состав гальванического элемента не входит).
Стандартный электродный потенциал цинкового электрода . Стандартный электродный потенциал медного электрода . Так как , то атомы цинка будут окисляться:
Zn – 2? = Zn2+. | (а) |
Электрод, на котором идет реакция окисления или который посылает катионы в электролит, называется анодом. У рассматриваемого гальванического элемента в роли анода выступает цинковый электрод. Так как стандартный электродный потенциал цинка ниже, чем у меди, цинковому электроду приписывается условный заряд «–», а медному – «+».
|
|
Электроны, освободившиеся в результате окисления, по внешней цепи переходят на медь (возникает электрический ток).
На медном электроде происходит процесс восстановления катионов электролита Cu2+:
Cu2+ +2? = Cu. | (б) |
Электрод, на котором идет реакция восстановления или которыйпринимает катионы из электролита, называется катодом.
Через электролитический ключ происходит движение ионов в растворе: анионов SO42– к аноду, катионов Zn2+ к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.
Реакции (а) и (б) называются электродными реакциями.
Складывая уравнения процессов, протекающих на электродах, получаем суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в гальваническом элементе:
Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu | (в) |
или, с учетом анионов раствора:
Zn + CuSO4= ZnSO4+ Cu. | (г) |
В общем случае, суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в произвольном гальваническом элементе, можно представить в виде:
MeА + MeКn+ Á MeАn+ + MeК, | (д) |
где индексы А и К относятся к металлам анода и катода соответственно.
Реакции (в) – (д) называются токообразующими реакциями.
Символическая запись (схема) гальванического элемента имеет вид:
Часто вместо растворов обозначают только катионы, содержащиеся в растворе:
|
|
(9.3) |
Схема гальванического элемента Даниэля – Якоби имеет вид:
Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu
Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента Е. Она вычисляется по формуле;
Е = φк – φа, | (9.4) |
где φк и φа – электродные потенциалы катода и анода соответственно.
Величина ЭДС элемента Даниэля – Якоби при стандартных условиях равна:
Е = +0,34 – (–0,76) = 1,10 В.
Электродвижущая сила Е характеризует способность гальванического элемента совершать электрическую работу во внешней цепи.
Электрическая работа определяется максимальной полезной работой, совершаемой химической реакцией, которая равна изменению изобарно-изотермического потенциала? G процесса. Связь между величиной? G и ЭДС описывается уравнением:
? G = – nFE, | (9.5) |
где n – число электронов в элементарном окислительно-восстановительном акте, F – число Фарадея.
Величина изменения изобарно-изотермического потенциала токообразующей реакции при стандартных условиях? G 0 связана с константой равновесия этой реакции К равн соотношением
(9.6) |
Гальванические элементы являются первичными (однократно используемыми) химическими источниками тока (ХИТ). Вторичными (многократно используемыми) ХИТ являются аккумуляторы. Процессы, протекающие при разряде и заряде аккумуляторов, взаимнообратны.
Гальванические элементы, у которых электроды выполнены из одного и того же металла и опущены в растворы своих солей разной концентрации, называются концентрационными. Функцию анода в таких элементах выполняет металл, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, например:
Пример 1. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция: Mg + ZnSO4 = MgSO4 + Zn. Что является катодом и анодом в этом элементе? Напишите уравнения процессов, протекающих на этих электродах. Рассчитайте ЭДС элемента при стандартных условиях. Вычислите константу равновесия для токообразующей реакции.