Гальванические элементы

Если разделить пространственно процессы окисления и восстановления, то окислительно-восстановительную реакцию можно использовать для получения электрической энергии.

Устройство в котором, химическая энергия превращается в электрическую, называется гальваническим элементом. Гальванический элемент образуется из двух металлов, погруженными в раствор электролитов. Если соединить эти металлы проводником первого рода (металлический провод), то будет образовываться электрический ток, появляющийся вследствие возникновения окислительно-восстановительного процесса. В гальваническом элементе анодом служит электрод, электродный потенциал которого в данном растворе более электроотрицательный. На аноде происходит окисление. Катодом служит электрод из менее активного металла. На катоде восстановляются положительные ионы металлов, ионы водорода или нейтральные молекулы. В гальваническом элементе анод обозначается знаком «минус», а катод – знаком «плюс». Гальванический элемент показан на рисунке.

Цинковая пластинка опущена в раствор сульфата цинка, медная - в раствор сульфата меди. Пластинки соединены проводом, растворы разделены пористой перегородкой, чтобы не происходило смешение растворов. Электроны по внешней цепи идут от анода к катоду, а по внутренней цепи анионы SO₄^2- перемещаются в растворе от меди к цинку, замыкая электрическую цепь гальванического элемента.

Гальванический элемент записывается в виде электрохимической схемы:

A(-) Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu (+)K

Так как электродный потенциал цинка меньше электродного потенциала меди то цинк будет анодом, а медь – катодом. Цинковая пластинка окисляется, а на поверхности медной пластинки идёт восстановление меди из раствора.

Процессы, протекающие при работе гальванического элемента, следует записать:

A Zn – 2e = Zn²⁺

K Cu²⁺ + 2e = Cu⁰

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu

Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента. Она равна разности равновесных потенциалов катода и анода:

ЭДС= е_K - е_A

Для медно-цинкового гальванического элемента в стандартных условиях:

ЭДС = 0, 34-(-0, 76)=1, 1 В

Разность потенциалов образуется не только между разными, но и между одноименными металлами, прогруженными в растворы своих солей с разными концентрациями. Такой гальванический элемент называется концентрационным. Например, никелевый концентрационный гальванический элемент.

(-)Ni | NiSO₄ || NiSO₄ | Ni (+)

0, 01моль 0, 1моль

Запишем работу такого концентрационного гальванического элемента.

е_Ni²⁺_/Ni = е⁰ + (0, 058/n)lg(1*10^-2) = -0.25 + (0, 058/2)(-2) = -0.308 В

е_Ni²⁺_/Ni = е⁰ + (0, 058/n)lg(1*10^-1) = -0.25 + (0, 058/2)(-1) = -0.28 В

ЭДС = -0, 28 – (-0, 308) = 0, 028 В

Процессы на электродах:

А: Ni⁰ - 2е^- = Ni²⁺

К: Ni²⁺+ 2е^- = Ni⁰