Гальванический элемент

Химические процессы, которые сопровождаются возникновением электрического тока или сами вызываются им, называют электрохимическими.

Все электрохимические процессы можно разделить на две группы:

1) Процессы превращения химической энергии в электрическую (в гальванических элементах)

2) Процессы превращения электрической энергии в химическую (электролиз).

Гальванический элемент – это устройство, в котором на основе окислительно-восстановительных реакций получают электрический ток, т.е. химическая энергия реакции превращается в энергию электрического тока. В качестве примера рассмотрим гальванический элемент Даниэля – Якоби (медно-цинковый гальванический элемент).

Гальванический элемент Даниэля – Якоби

А) с изолированными растворами

Б) с растворами, соприкасающимися друг с другом

Элемент состоит из цинковой пластинки, опущенной в раствор сульфата цинка, и медной пластинки, опущенной в раствор сульфата меди (II). Растворы солей соединены между собой трубочкой, заполненной раствором KCl (так называемый электролитический ключ) если находятся в разных сосудах (А) или разделены пористой перегородкой, если находятся в одном сосуде (Б). Система, состоящая из металла, погруженного в раствор или расплав электролита, называется электродом.

На электроде из цинка, который погружен в раствор соли сульфата цинка, происходит окисление атомов цинка в ионы (растворение цинка):

Zn – 2 e → Zn ²⁺

При этом электроны поступают во внешнюю цепь. Цинк является источником электронов. На медном электроде, погруженном в раствор сульфата меди, происходит восстановление ионов меди, которые осаждаются на электроде:

Cu ²⁺ + 2 e → Cu

Электрод, на котором протекает процесс окисления – анод (А), а на котором протекает процесс восстановления – катод (К).

Схема гальванического элемента следующая:

А (-) Zn │ Zn ²⁺ ││ Cu ²⁺ │ Cu (+) К

Одна вертикальная черта означает границу между электродом и раствором, две вертикальные линии – границу между растворами, в скобках указываются знаки полюсов, причем анод записывается слева, а катод справа.

       Суммарное уравнение получим, сложив оба уравнения:

                                           А (-):Zn – 2e → Zn²⁺  2  1

                    К (+) Cu ²⁺ + 2 e → Cu    2 1

                                                      Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

В молекулярной форме: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

       Между электродами в гальваническом элементе существует разность потенциалов, которая называется электродвижущей силой гальванического элемента (ЭДС). Рассчитывается по следующей формуле:

ЭДС = Е_катода - Е_анода,

где Е_катода, Е_анода электродные потенциалы катода и анода соответственно.

       В гальваническом элементе Вольта электроды помещаются в кислоту, например А (-) Zn│ Н₂ SO₄ │ Cu (+) К.На аноде идет окисление Ме, а на катоде восстанавливаются ионы водорода:

                                            А (-):Zn – 2e → Zn²⁺ 

    К (+)2Н⁺ + 2e → Н₂       

       Гальванический элемент, составленный из одинаковых Ме, контактирующих с растворами солей разной концентрации, называется концентрационным. Анод – электрод, опущенный в раствор своей соли с меньшей концентрацией, катод – с большей концентрацией.

Пример. Гальванический элемент состоит из висмутового и медного, электродов, опущенных в растворы своих солей с концентрациями ионов C = 0,001 моль/л, С = 0,01 моль/л. Вычислите ЭДС гальванического элемента, составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов.

Так как концентрации ионов в растворах не являются стандартной величиной, определим электродные потенциалы металлов по уравнению Нернста:

Висмут в данном случае имеет меньший электродный потенциал и является анодом (А), медь имеет больший электродный потенциал и является катодом (К).

Электродвижущая сила данного элемента равна:         .

Запишем электронные уравнения электродных процессов

          А:    Bi  - 3ē  ® Bi³⁺          2

                                                        6

          K:    Cu²⁺ + 2ē ® Cu         3

т.е. висмут, являясь анодом, растворяется при работе гальванического элемента, а медь осаждается в виде металла на катоде.

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента имеет вид:

                            2Bi  + 3Cu²⁺  ® 2Bi³⁺ + 3 Cu

Схема данного гальванического элемента будет следующая:

                   А (-) Bi / Bi³⁺ ïï Cu²⁺/Cu (+) K