гальванічний елемент
Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Мимовільно йде окислювально-відновний процес в певних умовах може створювати електричну енергію. Процеси перетворення хімічної енергії в електричну можна використовувати для створення хімічних джерел струму (ХДС), найпростіший з яких гальванічний елемент.
Гальванічний елемент складається з двох електродів, занурених у електроліти, які замикаються електролітичним ключем.
Металевий електрод - це метал, занурений в розчин власної солі, не є інертним, а бере участь в електродної реакції. Cхематічно такий електрод записують у вигляді Ме | Ме n +. де вертикальна риса позначає кордон між металом і розчином. Рівняння Нернста для металевих електродів має вигляд
де - концентрація іонів металу в розчині, моль / л.
Окислювально-відновний (редокс) електрод - це інертний метал (токоподвод), занурений в електроліт, що містить одночасно окислену і відновлену форми потенциалопределяющих частинок. В якості інертного металу найчастіше використовують платину Pt. Схематично такий електрод можна записати у вигляді Pt # 9474; Me n +. Me m +. На поверхні інертного металу протікає окислювально-відновна реакція. Наприклад, для окислювально-відновного електрода Pt # 9474; Sn 4+. Sn 2+ такими реакціями можуть бути: Sn 2+ - 2 # 275; → Sn 4+; Sn 4+ + 2 # 275; → Sn 2+
Рівняння Нернста для редокс- систем включає концентрацію обох катіонів і має вигляд
де [оксиди], [восст] - концентрації окисленої і відновленої форм потенциалопределяющих частинок в полуреакции.
Газові електроди складаються з інертного металу, який знаходиться в одночасному контакті з газом і розчином, що містить іони цього газу. Представниками газових електродів є водневий, кисневий, хлорний і інші електроди.
Водневий електрод складається з платинової пластинки, покритої шаром дрібнодисперсного платини ( "платинової черні") і зануреної в розчин кислоти, що містить іони водню. Через розчин безперервно пропускається потік водню, водень адсорбується на поверхні платини, і на кордоні електрод / розчин встановлюється рівновага:
При тиску водню, що дорівнює 101,3 кПа (1 атм), активності (концентрації) іонів водню 1 моль / л і Т = 298К водневий електрод називається стандартним водневим електродом. Потенціал такого електрода приймається за нуль.
Рівняння Нернста для водневого електрода має вигляд
де - стандартний електродний потенціал,
- концентрація іонів водню в розчині, моль / л
-парціальний тиск водню над розчином, атм. дорівнює 1 атм.
Розглянемо роботу гальванічного елемента на прикладі елементу Даніеля-Якобі. Він являє собою дві посудини з 1М розчинами CuSO4 і ZnSO4. в які занурені відповідно мідна і цинкова пластинки, з'єднані проводом. Судини з'єднані між собою трубкою, яка називається сольовим містком, заповненої розчином електроліту (наприклад, KCl). Сольовий місток є електролітичним ключем.
Електрод з меншим значенням потенціалу заряджається негативно, є анодом. Електрод з великим значенням потенціалу заряджається позитивно, є катодом. На аноді протікає процес окислення
(Віддача електронів), на катоді - процес відновлення (приєднання електронів).
Гальванічні елементи прийнято записувати у вигляді схем. Анод зі знаком (-) записують зліва, катод зі знаком (+) записують справа. Наприклад, схема мідно-цинкового гальванічного елемента Даніеля-Якобі може бути представлена таким чином:
Одна вертикальна риса на схемі позначає кордон між металом і розчином електроліту, дві риси - кордон між розчинами (сольовий місток).
При замиканні ланцюга електрони по зовнішньому ланцюзі підуть від анода до катода - від цинку до міді. При цьому на електродах протікають наступні реакції:
(-) Анод: Zn - 2 # 275; → Zn 2+ реакція окислення
(+) Катод: Cu 2+ + 2 # 275; → Cu реакція відновлення
Підсумовуючи процеси на катоді і аноді, отримуємо рівняння окисно-відновної реакції, за рахунок якої в гальванічному елементі виникає електричний струм:
Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu
Таке рівняння називається рівнянням токообразующей реакції.
ЕРС гальванічного елемента розраховують як різницю потенціалів катода і анода: Е = Ек - Еа.
Якщо концентрація іонів в розчині становить 1 моль / л, то ЕРС називається стандартною. Стандартна ЕРС мідно-цинкового елемента при -
Приклад 7. Розрахуйте ЕРС свинцево-цинкового гальванічного елемента при Т = 298К, в якому [Zn 2+] = 0,1моль / л і [Pb 2+] = 0,01моль / л. Вкажіть знаки полюсів, напишіть рівняння електродних процесів, складіть схему гальванічного елемента. Вкажіть напрямок руху електронів при замиканні ланцюга.
Рішення: ЕРС гальванічного елемента розраховують як різницю
рівноважних потенціалів катода і анода: Е = Ек - Еа.
Оскільки концентрації потенциалопределяющих іонів відрізняються від 1 моль / л, розрахуємо за рівнянням Нернста (ур. 4) значення електродних потенціалів цинку і свинцю:
Електрод з меншим значенням потенціалу є анодом (цинковий електрод). На ньому протікає реакція окислення:
(-) А: Zn - 2 # 275; → Zn 2+
Електрод з великим значенням потенціалу є катодом (свинцевий електрод), на ньому протікає реакція відновлення:
(+) К: Pb 2+ + 2 # 275; → Pb
Рівняння токообразующей реакції: Zn + Pb 2+ → Zn 2+ + Pb.
Схема гальванічного елемента: (-) Zn # 9474; Zn 2+ (0,1M) # 9553; Pb 2+ (0,01M) # 9474; Pb (+).
Розраховуємо ЕРС гальванічного елемента:
При замиканні ланцюга, електрони в зовнішньому колі підуть від негативно зарядженого електрода до позитивно зарядженого електроду, тобто - від цинку до свинцю.
Приклад 8. Для гальванічного елемента
Pt # 9474; Cr 3+ (0,1 моль / л), Cr 2+ (0,01 моль / л) # 9553; Н + (рН = 2) # 9474; Н2. Pt
розрахувати ЕРС, написати рівняння електродних процесів, скласти рівняння токообразующей реакції, вказати знаки полюсів. Визначити напрямок руху електронів в зовнішньому колі.
Рішення. даний гальванічний елемент складений з окислювально
відновного і водневого електродів.
Потенціал окисно-відновного електрода розраховуємо за рівнянням Нернста:
Стандартний потенціал пари Сr 3 / Cr 2+. Підставивши дані умови задачі, розрахуємо потенціал окислювально-відновного електрода:
Другий електрод даного гальванічного елемента є водневим електродом. Потенціал його, відповідно до рівняння Нернста:
Визначаємо катод і анод. Оскільки окислювально-відновний електрод має менший потенціал, то в гальванічному елементі він буде грати роль анода (негативний полюс), а водневий електрод - катода (позитивний полюс). Після замикання ланцюга на першому електроді буде протікати анодний процес окислення, на другому - катодний процес відновлення:
(-) А. Cr 2+ - # 275; → Cr 3+ 2
Сумарна токообразующая реакція описується рівнянням
2 Cr 2+ + 2 Н + → 2 Cr 3+ + Н2
Електрони при замиканні зовнішнього ланцюга будуть рухатися від негативного полюса до позитивного: від хромового окислювально-відновного електрода до водневого.
ЕРС даного елемента
Приклад 9. Які процеси протікають на електродах в концентраційному гальванічному елементі, що має цинкові електроди, якщо у одного з електродів концентрація іонів цинку Zn 2+ дорівнює 1 моль / л, а в іншого -
0,0001 моль / л? Яка ЕРС цього елемента? Напишіть схему даного ГЕ.
Рішення: Концентраційний гальванічний елемент складається з однакових електродів, занурених у розчини своїх солей різної концентрації. Визначимо потенціали обох електродів. Так як концентрація іонів цинку
у першого електрода дорівнює 1 моль / л, то потенціал його буде дорівнює стандартному потенціалу цинкового електрода:.
Потенціал другого електрода розрахуємо за рівнянням Нернста:
Перший електрод є катодом, на ньому після замикання ланцюга протікає реакція відновлення (+) К: Zn 2+ + 2 # 275; → Zn
Другий електрод, який має менший потенціал, буде анодом, на ньому протікає реакція окислення: (-) А: Zn - 2 # 275; → Zn 2+
Токообразующая реакція в гальванічному елементі матиме вигляд:
Zn + Zn 2+ → Zn + Zn 2+
Розраховуємо ЕРС елемента: Е = Ек - Е а = - 0,763 - (- 0,881) = 0,122 В.
Даний гальванічний елемент можна відобразити схемою:
(-) Zn # 9474; Zn 2+ (0,0001 моль / л) # 9553; Zn 2+ (1 моль / л) # 9474; Zn (+)
4. Написати катодний і анодний процеси, рівняння токообразующей реакції і обчислити ЕРС гальванічного елемента. Вказати полярність електродів.
1. Fe | Fe +2 (1моль / л) || Ag + (0,1моль / л) | Ag
2. Cr | Cr +3 (2 моль / л) || Cd +2 (1 моль / л) | Cd
3. Be | Be +2 (0,1моль / л) || Ni +2 (0,01моль / л) | Ni
4. Mn | Mn +2 (0,1 моль / л) || Sn +2 (0,01 моль / л) | Sn
5. Al | Al +3 (2 моль / л) || Cd +2 (0,1 моль / л) | Cd
6. Ni | Ni +2 (0,1 моль / л) || Cu +2 (0,01 моль / л) | Cu
7. Mg | Mg +2 (1 моль / л) || Zn +2 (0,01 моль / л) | Zn
8. Cd | Cd +2 (0,1 моль / л) || Pb +2 (0,01 моль / л) | Pb
9. Fe | Fe +2 (0,01 моль / л) || Fe +2 (1 моль / л) | Fe
10. Co | Co +2 (0,5 моль / л) || Ni +2 (0,5 моль / л) | Ni
11. Zn | Zn +2 (1 моль / л) || Cu +2 (0,01 моль / л) | Cu
13. Al | Al +3 (1 моль / л) || Al +3 (2 моль / л) | Al
14. Mn | Mn +2 (1 моль / л) || Ni +2 (0,01 моль / л) | Ni
15. Ca | Ca +2 (0,1 моль / л) || Fe +2 (0,01 моль / л) | Fe
16. Pb | Pb +2 (1 моль / л) || Ag + (0,1 моль / л) | Ag
17. Be | Be +2 (0,001 моль / л) || Fe +2 (0,001 моль / л) | Fe
18. Pt | Cr +3 (0,1 моль / л), Cr +2 (0,1 моль / л) || Fe +3 (0,1 моль / л), Fe +2 (0,1 моль / л) | Pt
19. Zn | Zn +2 (1 моль / л) || Fe +2 (0,01 моль / л) | Fe
20. Al | Al +3 (2 моль / л) || Cu +2 (0,01 моль / л) | Cu
21. Be | Be +2 (1 моль / л) || Cd +2 (0,01 моль / л) | Cd
22. Mn | Mn +2 (0,01 моль / л) || Fe +2 (0,01 моль / л) | Fe
23. Fe | Fe +2 (1 моль / л) || Sn +2 (0,01 моль / л) | Sn
24. Mg | Mg +2 (0,1 моль / л) || Ni +2 (0,01 моль / л) | Ni
25. Ag | Ag + (0,001 моль / л) || Ag + (0,1 моль / л) | Ag
26. Fe | Fe +2 (0,005 моль / л) || Pb +2 (0,005 моль / л) | Pb
27. Ca | Ca +2 (1 моль / л) || Mg +2 (0,01 моль / л) | Mg
28. Mn | Mn +2 (0,01 моль / л) || Zn +2 (0,01 моль / л) | Zn
29. Pb | Pb +2 (0,1 моль / л) || Cu +2 (0,01 моль / л) | Cu
30. Zn | Zn +2 (10 -4 моль / л) || Sn +2 (10 -2 моль / л) | Sn
31. Cd | Cd +2 (10 -4 моль / л) || Cu +2 (10 -2 моль / л) | Cu
32. Ni | Ni +2 (0,01 моль / л) || Ag + (1 моль / л) | Ag
33. Mg | Mg +2 (0,001 моль / л) || Mg +2 (1 моль / л) | Mg
34. Ca | Ca +2 (1 моль / л) || Cr +2 (0,01 моль / л) | Cr
35. Mn | Mn +2 (0,01 моль / л) || Pb +2 (0,01 моль / л) | Pb
36. Al | Al +3 (2 моль / л) || Cr +2 (0,01 моль / л) | Cr
37. Be | Be +2 (1 моль / л) || Sn +2 (0,01 моль / л) | Sn
38. Ni | Ni +2 (1 моль / л) || Fe +3 (2 моль / л) | Fe
39. Pt. H2 | H + (pH = 4) || Ag + (1 моль / л) | Ag
40. Mg | Mg +2 (10 -2 моль / л) || Cu +2 (10 -2 моль / л) | Cu
41. Cu | Cu +2 (0,01 моль / л) || Ag + (0,1 моль / л) | Ag
42. Ca | Ca +2 (0,01 моль / л) || Be +2 (1 моль / л) | Be
43. Zn | Zn +2 (0,01 моль / л) || Ni +2 (1 моль / л) | Ni
44. Al | Al +3 (2 моль / л) || Fe +2 (0,01 моль / л) | Fe
45. Ca | Ca +2 (1 моль / л) || Al +3 (0,5 моль / л) | Al
46. Fe | Fe +3 (2 моль / л) || Cu +2 (0,01 моль / л) | Cu
47. Zn | Zn +2 (1 моль / л) || Pb +2 (0,01 моль / л) | Pb
48. Sn | Sn +2 (0,01 моль / л) || Ag + (0,1 моль / л) | Ag
49. Zn | Zn +2 (10 -2 моль / л) || H + (pH = 2) | H2, Pt
50. Pt | Sn +4 (0,1 моль / л), Sn +2 (0,1 моль / л) || Hg +2 (1 моль / л) | Hg
51. Al | Al +3 (2 моль / л) || Cd +2 (0,01 моль / л) | Cd
52. Pt | Cr +3 (10 -2 моль / л), Cr +2 (0,1 моль / л) || Sn +4 (10 -3 моль / л), Sn +2 (0,1 моль / л) | Pt
53. Ni | Ni +2 (0,01 моль / л) || Pb +2 (0,01 моль / л) | Pb
54. Mg | Mg +2 (10 -4 моль / л) || H + (pH = 2) | H2, Pt
55. Cd | Cd +2 (10 -2 моль / л) || Cd +2 (1 моль / л) | Cd
56. Be | Be +2 (10 -4 моль / л) || Zn +2 (10 -2 моль / л) | Zn
57. Mn | Mn +2 (1 моль / л) || Cu +2 (0,1 моль / л) | Cu
58. Ca | Ca +2 (0,01 моль / л) || Pb +2 (0,01 моль / л) | Pb
59. Sn | Sn +2 (0,01 моль / л) || Cu +2 (1 моль / л) | Cu
60. Cd | Cd +2 (10 -1 моль / л) || Sn +2 (10 -1 моль / л) | Sn
61.Pt | Fe +3 (10 -2 моль / л), Fe +2 (0,1 моль / л) || Sn +4 (10 -2 моль / л), Sn +2 (0,1 моль / л) | Pt
62.Pt | Co +3 (10 -2 моль / л), Co +2 (0,1 моль / л) || Sn +4 (0,1 моль / л), Sn +2 (10 -2 моль / л) | Pt
63. Pt | Fe +3 (0,1 моль / л), Fe +2 (10 -2 моль / л) || Au + (10 -2 моль / л), Au +3 (0,1 моль / л ) | Pt