3. Гальванический элемент.

(задачи №№ 61 – 80)

Гальванический элемент представляет собой двухэлектродную систему с самопроизвольно протекающим электрохимическим процессом. В гальваническом элементе происходит самопроизвольное превращение химической энергии в электрическую.

В контрольной работе рассматриваются гальванические элементы, состоящие из двух металлических электродов, каждый из которых включает металлический проводник электронов, погруженный в раствор соли того же металла. Окислительно-восстановительная пара таких электродов образована из окислителя – катионов металла Meⁿ⁺ и соответствующего восстановителя – атомов металла Ме: Meⁿ⁺/Me.

Электрическая цепь гальванических элементов данного типа состоит из внешнего и внутреннего участков. Внешний участок цепи посредством того или иного проводника соединяет металлические электроды; во внешней цепи электроды замыкаются на потребителя электрического тока или на электроизмерительный прибор. Внутренний участок цепи соединяет растворы солей электродов посредством жидкостного мостика, заполненного насыщенным раствором KCl и агар-агаром.

Характер электродных процессов в гальваническом элементе определяется значениями электродных потенциалов. Окисление протекает на поверхности металлического проводника электрода, содержащего наиболее сильный восстановитель, т.е. анодом является электрод с меньшим значением электродного потенциала; электрод с большим значением электродного потенциала является катодом. Соответственно относительным величинам электродных потенциалов анод в гальванических элементах маркируется знаком “”, катод – знаком “+”.

Следует иметь в виду, что для металлических электродов величина электродного потенциала зависит от концентрации катионов металла. Эта зависимость выражается формулой Нернста:

E(Meⁿ⁺/Me)=E^o(Meⁿ⁺/Me)+(0,059/n)lg C(Meⁿ⁺) (3.1)

где C(Meⁿ⁺) – молярная концентрация катионов металла, n – число электронов, E^o(Meⁿ⁺/Me) – стандартный электродный потенциал металлического электрода, E(Meⁿ⁺/Me) – электродный потенциал электрода при концентрации катионов металла C(Meⁿ⁺).

Для представления гальванических элементов используется схематическая форма записи, которая начинается обозначением анода и заканчивается обозначением катода; в схеме гальванического элемента принято указывать число электронов, переходящих во внешней цепи от анода к катоду и далее из проводника катода к окислителю катода. Так гальванический элемент, состоящий из двух металлических электродов Me_Iⁿ⁺/Me_I и Me_IIⁿ⁺/Me_II, в котором Me_Iⁿ⁺/Me_I - анод (А), а Me_IIⁿ⁺/Me_II – катод (К), записывается:

|¯¯¯¯¯¯¯¯ ^ne ¯¯¯¯¯¯¯¯↓

А Me_I/Me_Iⁿ⁺//Me_IIⁿ⁺/Me_II+К (3.2)

↑______|

Разность электродных потенциалов гальванического элемента назывется его электродвижущей силой (ЭДС). В соответствии с направлением самопроизвольного перехода электронов в гальваническом элементе его ЭДС – Е определяется как разность электродных потенциалов катода - Ек и анода - Еа:

Е=Ек – Е_А (3.3)

Для гальванического элемента, записанного в (3.2), ЭДС равна: Е= Е(Me_IIⁿ⁺/Me_II) - Е(Me_Iⁿ⁺/Me_I).

Пример 3.1. Металлический проводник, иготовленный из кобальта, погружен в 0,01М раствор Co(NO₃)₂. Рассчитать величину электродного потенциала этого электрода.

Для данного электрода, пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, подобрать анод и катод. Записать схемы гальванических элементов с выбранными электродами. Для каждого гальванического элемента составить уравнения электродных процессов и уравнение электрохимического процесса, определить значение ЭДС, считая электродные потенциалы выбранных электродов равными их стандартным значениям, и рассчитать величину стандартной ЭДС.

Окислительно-восстановительная пара рассматриваемого электрода записывается: Со²⁺/Со.

По формуле (3.1) рассчитываем величину электродного потенциала.

Е(Со²⁺/Со)=Е^о(Со²⁺/Со)+(0,059/n)lgC(Со²⁺)=-0,28+(0,059/2)lg0,01=-0,28-0,059=-0,339В.

По отношению к данному электроду анодом будет являться любой металлический электрод с меньшим значением электродного потенциала, например, цинковый электрод Zn²⁺/Zn, стандартный электродный потенциал которого равен: Е^о(Zn²⁺/Zn)=-0,76В. В соответствии с (3.2) для выбранного электрода записываем схему полученного гальванического элемента.

|¯¯¯¯ ^2e ¯¯¯¯¯¯¯↓

А Zn/Zn²⁺// Со²⁺/Со +К

↑_____|

Записываем уравнения электродных процессов, суммируя которые получим уравнение электрохимического процесса, протекающего в рассматриваемом гальваническом элементе.

Zn⁰=Zn²⁺+2е – уравнение анодного окисления.

Со²⁺+2е=Со⁰ – уравнение катодного восстановления.

Zn⁰ + Со²⁺= Zn²⁺+ Со⁰ – уравнение электрохимического процесса.

По формуле (3.3) определяем ЭДС.

Е=Ек – Е_А= Е(Со²⁺/Со) - Е^о(Zn²⁺/Zn)=-0,339-(-0,76)=0,421В.

Для расчёта стандартной ЭДС используем табличные значения стандартных электродных потенциалов.

Е^о= Е^о(Со²⁺/Со) - Е^о(Zn²⁺/Zn)=-0,28-(-0,76)=0,48В.

По отношению к электроду Со²⁺/Со в качестве катода можно использовать любой электрод с большим электродным потенциалом, например медный электрод Cu²⁺/Cu, стандартный электродный потенциал которого равен: Е^о(Cu²⁺/Cu)=0,34В. Записываем схему гальванического элемента с выбранным катодом.

|¯¯¯¯ ^2e ¯¯¯¯¯¯¯↓

А Со/Со²⁺// Cu²⁺/Cu +К

↑_____|

Записываем уравнения электродных процессов и уравнение электрохимического процесса, протекающего в данном гальваническом элементе.

Со⁰=Со²⁺+2е – уравнение анодного окисления.

Cu²⁺+2e=Cu⁰ – уравнение катодного восстановления.

Со⁰+Cu²⁺=Co²⁺+Cu⁰ - уравнение электрохимического процесса.

По формуле (3.3) определяем величину ЭДС.

Е=Ек – Е_А= Е^о(Cu²⁺/Cu) - Е(Со²⁺/Со)=0,34 – (-0,339)=0,679В.

Стандартную ЭДС, как и для предыдущего гальванического элемента, рассчитываем по табличным значениям стандартных электродных потенциалов.

Е^о=Е^о(Cu²⁺/Cu) - Е^о(Со²⁺/Со)=0,34 – (-0,28)=0,62В.