Гальванічні елементи - студопедія

Електрохімія - це розділ фізичної хімії, в якому вивчаються хімічні властивості іонних систем, а також процеси і явища на межі поділу фаз за участю заряджених частинок.

У фізичної хімії розглядають переважно такі електрорушійні сили, джерелом виникнення яких є хімічні реакції. Прилад, в якому відбувається перетворення хі-мічного енергії в електричну, називаетсягальваніческім елементом або гальванічної ланцюгом. Прикладом галь-ваніческого елемента служить мідно-цинковий елемент Якобі-Даніеля Він складається з мідної пластинки, опущеною в розчин сульфату міді, і цинкової пластинки, опущеною в розчин сульфату цинку. Раст-злодії повідомляються між собою за допомогою рідинного кон-такту або через пористу диафен-рагму, проникну для іонів. Мідна і цинкова пластинки з'єднані провідником. На кордоні сопрікоснове-ня двох різних провідників відбувається різнойменну електризація їх і виникає стрибок або різниця потенциа-лов. Потенціал, що виникає на кордоні між розчином його іонів, називається електродним. позначається буквою # 949 ;.

Електродний потенціал виникає внаслідок здатності, іонів металу переходити з платівки в розчин і назад. При зануренні цинкової пластинки, в водний розчин її солі (ZnSO4) іони цинку, розташовані на поверхні металу, гидратируются полярними молекулами води і переходять з платівки в розчин, ос-ний на платівці електрони, які заряджають її отри-цательного.

Внаслідок електростатичного притягання до цин-кової платівці притягуються катіони цинку з розчину, щo перешкоджає подальшому переходу іонів цинку в раст-злодій, встановлюється рухлива рівновага, що характеризується-щееся рівністю швидкостей переходу іонів металу в раст-злодій і назад. Таким чином, між металом і розчином утворюється подвійний електричний шар і виникає стрибок потенціалу. Так як цинкова пластинка заряджається негативно, то такий електродний потенціал вважається негативним. На мідному електроді відбувається інше явище: катіони міді переходять з розчину на плас-Тінку в більшій кількості, ніж з поверхні металу в розчин, і мідна пластинка заряджається позитивно, а прилеглий до неї шар рідини негативно і так само встановлюється рухлива рівновага. При з'єднанні мідної та цинкової платівок металевим провідником електрони, наявні в надлишку на цинковій пластинці, підуть від цинку до міді, таким чином, між електродами виникає електричний струм. У розчині відбувається переміщення сульфат-іонів в сторону цинкового електрода, іонів цинку в сторону мідного електрода. У міру роботи гальванічного елемента відбувається процес розчинення цинку і виділення міді, т. Е. На цинковій електроді йде реакція окислення Zn-2е = Zn 2 +. а на мідному - реакція відновлення Сі 2+ + 2е = Сі 0. Таким чином, в кожному працюючому гальванічному елементі відбувається окислювально-відновний про-процес, реакція окислення йде на негативному електроді, а реакція відновлення на позитивних пластинах.

Крім електроднихпотенціалів, в гальванічному еле-менти виникають дифузний і контактний потенціали. Дифузійний потенціал виникає на межі двох раст-злодіїв внаслідок відмінності в рухомому іонів. Дифузійні потенціали можуть виникати і в біологічних об'єктах при пошкодженні, наприклад, оболонок клітин. При цьому порушується вибірковість їх проникності і електроліти починають дифундувати в клітку або з неї, в залежності від різниці концентрацій. В результаті дифузії електролітів виникає потенціал ушкодження. який може досягати 30-40 мілівольт. У тканинах рослинних і тваринних організмів, навіть усередині однієї клітини, є мембранні і дифузійні потенціали, обумовлені хімічної та морфологічної неоднорідністю внутрішньоклітинного вмісту. Різні причини призводять до звільнення і дифузії іонів, т е до появи різних биопотенциалов і біострумів, які мають важливе значення в саморегуляції живого організму. Зазвичай, дифузний потенціал усувається включенням між електродними розчинами розчину електроліту, що має у обох іонів однакову рухливість, найчастіше примі-вується насичений розчин хлориду калію. Контактний потенціал виникає на межі двох метал-лов внаслідок переходу електронів від одного металу до дру-гому, але значення контактного потенціалу входить в якості постійного доданка в вираз електродних потенциа-лов і враховується, при їх визначенні. Таким чином, електрорушійна сила гальванічного елемента дорівнює різниці електродних потенціалів:

Величина електродного потенціалу залежить від природи металу та концентрації його іонів в розчині. Ця залежність виражається рівнянням Нернста:

де # 949; - електродний потенціал;

R - газова постійна;

Т- абсолютна температура;

F - число Фарадея;

n -валентность іонів;

З-концентрація іонів в розчині;

# 949; ° - стандартний (нормальний) електродний потенціал.

Стандартним (нормальним) електродним потенціалом називається електродний потенціал при концентрації іонів в розчині, що дорівнює 1 г-іон / л (точніше, замість концентрації іонів слід поставити активність іонів, рівну 1).

Величини стандартних електродних потенціалів визна-ляють експериментально, щодо нормального водо-родного електрода. Потенціал нормального водневого електрода умовно прийнятий рівним нулю. Ряд металів, розташованих за величиною їх електроднихпотенціалів, називається рядом напруг. Користуючись поруч напруг, можна розрахувати ЕРС гальванічного елемента. Наприклад, для мідно-цинкового
елемента, за однакової кількості концентрацій катіонів в обох напівелементах, електрорушійна сила обчислюється за рівнянням (60).

На практиці, при визначенні електроднихпотенціалів або концентрацій іонів в розчині, необхідно мати елект-пологи з відомою величиною електродного потенціалу. У ка-честве таких електродів порівняння зазвичай вживаються водневий, каломельний і хінгідронний електроди.

Водневий електрод складається з платинованим плати-нової платівки, насиченою молекулярним воднем і. зануреної в розчин, що містить іони водню: (Pt) Н2 | Н +, (Pt є індиферентний-ним носієм молекулярну-ного водню і провідників-ком електронів).

Якщо концентрація іонів водню в розчині дорівнює 1 г-іон / л і тиск молекулами-лярного водню 1 атм, то такий водневий електрод називається нормальним. Так як потенціал нормального водневого електрода прийнятий рівним нулю, т. Е. # 949; = 0, то рівняння Нернста (4) для по-огрядного електрода має вигляд:

Каломельний електрод являє собою ртуть в контакті з розчином каломелі і хлориду калію: Hg | Hg2 Cl2. КС1

Каломель важко розчинний з'єднання; слідчий-но, концентрація іонів ртуті в розчині дуже мала. Так як в розчині присутній добре дисоціюють хлорид калію, то концентрація іонів Hg2 2+ змінюється в залеж-ності від концентрації КС1, а тому потенціал цього еле-Трод залежить від концентрації КС1 в розчині. Практично зазвичай застосовуються електроди з насиченим розчином КС1, при 18 ° С # 949; кал = 0,2503 в.

Хіндгідронний електрод складається з платинової прово-локи, опущеною в розчин, що містить іони водню і хингидрон: Pt | хингидрон, Н +. Хінгідронний електрод відноситься до окисно-відновних, т. Е. Та-ким, у яких метал не приймає участі в елект-рідний реакції, а є провідником електронів.

Хингидрон є подвійне з'єднання хинона і гідрохінону українське-створімое в воді С6 Н4 О2 + С6 Н4 (ОН) 2.

Величина окисно-відновного потенціалу виражається рівнянням Нернста:

де [Ох] концентрація окисленої форми;

[Red] концентрація відновленої форми.

Стандартний (нормальний) потенціал хингидронного електрода при 18 ° С # 949; ° ХГ = 0,7044 в.

1. Які процеси називаються електрохімічними?

2. Що таке гальванічний елемент?

3. Які типи гальванічних елементів вам відомі?

4.Какие електроди називаються електродами порівняння?

5. Які електроди називаються індикаторними електродами?

6.Об'ясніте виникнення стрибка потенціалу на межі розділу: метал-розчин.

7.Який електрод називають стандартним?

8.Что таке ДЕС, як він виникає?

9.Какие електроди називаються окисно-відновними?

10.Значеніе окислювально-відновного потенціалу в грунтознавстві.

11.Значеніе окислювально-відновного потенціалу в грунтознавстві.

12.Редокс-потенціали в найважливіших процесах біологічного окислення.

13.Діффузіонний потенціал в біологічних об'єктах.

1.Определить електродний потенціал нікелю, зануреного в розчин своєї солі з концентрацією рівною С = 10 -3 М

2.ЕДС хингидрона концентраційної ланцюга дорівнює 0.450В. Визначити рН розчину (якщо рН стандартного розчину = 2,04)

3.Стандартний потенціал міді дорівнює 0,337 в, а цинку -0,763. Обчислити ЕРС мідно-цинкової ланцюга при наступних концентраціях: СCu = 0,015 СZn = 0,025

4.Стандартний електродний потенціал цинку дорівнює -0,763 в, обчислити ступінь дисоціації солі цинку, якщо концентрація розчину С = 0,45, А Е = -0,832 ст.

5. Визначити ЕРС АI 3+ - Mn 2+ гальванічного елемента.

6.Определіть ЕРС К + - Mg 2+ гальванічного елемента.