Гальванические элементы. Рис. 6.5. Медно-цинковый гальванический элемент

                  Гальванические элементы

 

Простейший гальванический элемент (ГЭ) состоит из двух полуэлементов: пластин, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита, содержащий собственные ионы. Металлические пластины соединены между собой проводником первого рода (проводом), а растворы – электролитическим ключом (солевым мостиком). Условно схема такого ГЭ записывается в виде Ме₁|Ме₁ⁿ⁺||Me₂^m+|Me₂.

В качестве примера рассмотрим работу стандартного медно-цинкового гальванического элемента (элемент Даниэля – Якоби) (рис. 6. 5), и в основе которого лежит самопроизвольная ОВ-реакция между цинком и сульфатом меди:

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu

Устройство состоит из цинковой пластины, опущенной в 1М раствор ZnSO₄, и медной пластины, погруженной в 1М раствор CuSO₄. Металлические пластины соединены между собой проводником первого рода, а растворы – электролитическим ключом. В первом полуэлементе формируется скачок потенциала за счет равновесия между атомами цинка в металле и ионами цинка в растворе:  

Zn⁰ - 2  ⇄ Zn²⁺        Е⁰Zn²⁺/Zn = -0, 763В Во втором полуэлементе потенциал возникает за счет равновесия меди в металле и ионами меди   Cu²⁺ + 2  ⇄ Cu⁰      Е⁰Cu²⁺/Cu = +0, 337В.

При замыкании внешней электрической цепи, за счет разных потенциалах на электродах, электроны от цинкового электрода переходят к медному электроду. Это приводит к нарушению исходных равновесий: в результате чего на цинковом электроде протекают процессы окисления, а на медном электроде процессы восстановления, обеспечивая поддержание их потенциалов.

В электрохимии принято электрод, на котором протекают реакции окисления, называть анодом, а электрод, на котором идут реакции восстановления, – катодом .

 

Рис. 6. 5. Медно-цинковый гальванический элемент

Таким образом, цинк, имеющий меньший электродный потенциал, является анодом, а медь (с наибольшим потенциалом) – катодом. При окислении цинка с его поверхности ионы Zn²⁺, уходят в раствор. На катоде ионы Cu²⁺ из раствора восстанавливаются, при этом в растворе остаются неуравновешенными ионы SO₄^2-. Образовавшиеся при окислении цинка положительные ионы Zn²⁺ притягивают через солевой мостик отрицательные ионы SO₄^2-. В результате в растворе возникает электрический ток за счет движения отрицательных анионов, а в проводнике первого рода – за счет движения электронов.  

Условно схема данного ГЭ записывается в виде:

А ( - ) Zn|Zn²⁺||Cu²⁺|Cu ( + ) К.

Реакции, протекающие на электродах при работе данного ГЭ:          

А (-) Zn⁰ - 2   = Zn²⁺      К (+) Cu²⁺ + 2  = Cu⁰         

Суммарная реакция      Zn⁰ + Cu²⁺  = Cu⁰ + Zn²⁺ или

                               Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu.

Последние две реакции, записанные в ионно-молекулярном и молекулярном виде, называются токообразующми реакциями.

Стандартная электродвижущая сила (ЭДС) или ДЕ⁰ определяется как разность потенциала окислителя и восстановителя:

∆ Е= Е⁰_катода – E⁰_анода = +0, 337 – (-0, 763) = +1, 10 В.

Для повышения ЭДС можно изменить концентрацию потенциал-определяющих ионов. В медно-цинковом ГЭ, увеличивая концентрацию раствора CuSO₄ и снижая концентрацию раствора ZnSO₄, то есть, изменяя стандартные потенциалы цинкового и медного электродов, можно повысить ЭДС на десятки милливольт.

В принципе, ГЭ можно составить на основе любой самопроизвольной ОВР. В качестве примера рассмотрим самопроизвольную ОВ реакцию в водном растворе между хлоридом 2- валентного олова и хлоридом 3- валентного железа:

SnCl₂ + FeCl₃ = SnCl₄ + FeCl₂.

В данной реакции происходит окисление ионов Sn²⁺  ионами железа Fe³⁺:          Sn²⁺ - 2  = Sn⁴⁺                      Е⁰ Sn⁴⁺/Sn²⁺ = +0, 151В                                   

       Fe³⁺ +  = Fe²⁺         · 2   Е⁰ Fe³⁺/Fe²⁺ = +0, 771В

   Sn²⁺  +2Fe³⁺ = Sn⁴⁺  + 2Fe²⁺  

Для получения электрического тока за счет этой реакции необходимо создать ГЭ, представленный на рис. 6. 6.

 

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: