Гальванический элемент

Химический источник тока (гальванический элемент) представляет собой устройство, создающее электродвижущую силу (ЭДС) в результате протекания химических реакций на его электродах. Таким образом, химический источник тока – это устройство, которое превращает химическую энергию в электрическую.

Гальванический элемент – это система из двух электродов, погруженных в раствор их солей, в которой энергия химической реакции (окислительно – восстановительной) преобразуется в электрическую.

Гальванический элемент записывают в виде схемы:

АНОД (-) Электрод 2 | Раствор 2 || Раствор 1 | Электрод 1 (+) КАТОД

Е₂ Е₁

(окисление) (восстановление)

Слева записывают электрод с отрицательным (меньшим), а справа с положительным (большим) потенциалом. Одной вертикальной чертой отделяют металлы от растворов их солей.

Если электроды представляют собой металлические пластины, погруженные в раствор собственной соли, схема может быть записана в упрощенном варианте:

(-) Ме ₂| Ме₂ⁿ⁺ | | Ме₁^m+ | Ме ₁ (+)

Необходимым условием работы гальванического элемента является разница потенциалов между его электродами. Эта разница называется электродвижущей силой (ЭДС) гальванического элемента. Для нахождения ЭДС от величины потенциала катода отнимают величину потенциала анода: ЭДС = Е₁ - Е₂. Величины стандартных электродных потенциалов и уравнение Нернста дают возможность рассчитать ЭДС гальванических элементов при разных концентрациях электролитов. Вначале определяют потенциалы электродов для заданной концентрации электролита по формуле Нернста:

Е (Меⁿ⁺/Ме) = Е⁰(Меⁿ⁺/Ме) + 0,059 lg a(Meⁿ⁺) / n (2.2.1),

где a(Meⁿ⁺)- активность электролита: а = с×γ_±. (Коэффициент активности γ_± сильных электролитов находят в справочнике физико-химических величин). На основе рассчитанных величин электродных потенциалов вычисляют ЭДС гальванического элемента:

ЭДС = Е (Ме₁^m+/Ме₁) - Е (Ме₂ⁿ⁺/Ме₂) (2.2.2)

Упражнение №1. Вычислите потенциал металлического электрода, погруженного в раствор собственной соли по уравнению Нернста:

1.1. Цинкового электрода, погруженного в 150 мл раствора, содержащего 0,2 г сульфата цинка. (γ_± ≈ 1).

1.2. Алюминиевого электрода, погруженного в 120 мл раствора, содержащего 0,1 г хлорида алюминия (γ_± ≈ 1).

1.3. Свинцового электрода, погруженного в 200 мл раствора, содержащего 0,1г нитрата свинца (γ_± ≈ 1).

Упражнение № 2. Вычислить ЭДС гальванического элемента при стандартных условиях, образованного:

2.1. Цинковым электродом, погруженным в 0,05 m раствор сульфата цинка и медным, погруженным в 0,02 m раствор сульфата меди.

2.2. Серебряным электродом, погруженным в 0,005 m раствор нитрата серебра и никелевым, погруженным в 0,1 m раствор сульфата никеля.

2.3. Кадмиевым электродом, погруженным в 0,1 m раствор сульфата кадмия и цинковым, погруженным в 0,02 m раствор сульфата цинка.

(Значения коэффициентов активности и стандартных электродных потенциалов найти в справочнике. Приложение, табл. 3, Справочник физико-химических величин [6])

Одной из разновидностей гальванических элементов является концентрационный элемент, где необходимая для работы разность потенциалов достигается за счет использования одного и того же металла, погруженного в растворы солей с различной концентрацией. Электрод, помещенный в разбавленный раствор, при этом растворяется (является анодом), а на электроде, находящемся в концентрированном растворе, ионы металла осаждаются (является катодом). ЭДС концентрационного элемента можно рассчитать по формуле:

ЭДС = (2.2.3)

При этом а₂ > а₁.

Упражнение №3. Вычислить при стандартных условиях ЭДС концентрационного гальванического элемента, состоящего из:

3.1. Цинковых электродов, погруженных в 0,5 и 0,05 m растворы сульфата цинка.

3.2. Серебряных электродов, погруженных в 0,5 и 0,05 m растворы нитрата серебра.

Значения активностей ионов в растворах заданной моляльности взять в приложении (табл. 3.3.).

Для потенциометрического определения концентрации водородных ионов или рН раствора используется водородная цепь:

(-)Pt,H₂ | 2H⁺ ([H⁺]₂) || 2H⁺([H⁺]₁) | H₂,Pt(+)

рН₂ рН₁

При [H⁺]₁>[H⁺]₂, т.е. рН ₂ > рН₁, в стандартных условиях ЭДС можно рассчитать по формуле:

ЭДС = 0,059 lg а(Н⁺)₁/ а(Н⁺)₂ (2.2.4)

или для разбавленных растворов по формуле:

ЭДС = 0,059 lg [H⁺]₁/[H⁺]₂ (2.2.5)

Для разбавленных растворов электролитов в стандартных условиях Е(2Н⁺/Н₂) = - 0,059 рН и ЭДС может быть рассчитана по формуле:

ЭДС =0,059 (рН₂ – рН₁) (2.2.6)

Упражнение №4. А) Определите величину потенциала водородного электрода, при значениях [H⁺] моль/л: 0,1 0,01, 0,001, 0,0001 и 0,00001.

Б) В каком направлении пойдет ток в элементе, состоящем из водородных электродов, находящихся в растворах с рН = 2 и рН = 13?