Схема гальванического элемента из редокс-электродов

Гальванический элемент состоит из двух полуэлементов. Первый полуэлемент представляет раствор, содержащий ионы Sn²⁺ и Sn⁴⁺. В раствор, в качестве электрода, опущена платиновая пластина, материал которой не принимает непосредственного участия в формировании межфазного скачка потенциала. Потенциалопределяющими ионами являются ионы олова (Sn²⁺ и Sn⁴⁺). Второй полуэлемент устроен аналогичным образом, но электролитом является раствор, содержащий ионы Fe²⁺ и Fe³⁺. Каждый полуэлемент является, по сути, редокс-электродом и характеризуется своим определенным потенциалом. Электролиты соединены солевым мостиком. При замыкании электродов свободные электроны по цепи начнут перемещаться, от электрода с более отрицательным потенциалом (в данном случае это полуэлемент с ионами олова) к электроду с более положительным потенциалом (полуэлемент с ионами железа). В результате в первом полуэлементе на межфазной границе начнет протекать реакция окисления:

А ( - ) Sn²⁺ - 2  = Sn⁴⁺,

а во втором полуэлементе – реакция восстановления ионов железа:   

К ( + ) Fe³⁺ +  = Fe²⁺.

Таким образом, в гальваническом элементе начнет протекать представленная ранее реакция:

SnCl₂ + FeCl₃ = SnCl₄ + FeCl₂,

но окислитель и восстановитель непосредственно друг с другом не контактируют, т. е. процессы окисления и восстановления пространственно разделены. Обмен электронами между ними происходит через внешнюю цепь, а внутренняя энергия ОВР преобразовывается в энергию постоянного тока.

ГЭ можно создать и на основе двух одинаковых электродов, но отличающихся концентрацией потенциалопределяющих частиц, а следовательно, и потенциалами. Такие ГЭ называются концентрационными гальваническими элементами.

В качестве примера концентрационных ГЭ можно привести следующие системы (в скобках указаны концентрации растворов):

1) ГЭ из цинковых электродов Zn|Zn SO₄ (0, 01М)|| Zn SO₄ (1М)| Zn.

В правом полуэлементе концентрация ионов [Zn²⁺]=1моль/л, потенциал соответствует стандартному (Е⁰Zn²⁺/Zn = -0, 763В). В левом полуэлементе, согласно уравнению Нернста, потенциал равен:

ЕZn²⁺/Zn= Е⁰Zn²⁺/Zn + =-

= -0, 763 - 0, 059 = -0, 822 В.

Таким образом, цинковый электрод, в левом полуэлементе имеющий меньший потенциал, будет являться анодом, а в правом полуэлементе (с наибольшим потенциалом) – катодом. Реакции, протекающие на электродах:

А (-) Zn⁰ - 2е   = Zn²⁺  К (+) Zn²⁺ + 2е  = Zn⁰         

      Zn⁰ + Zn²⁺  = Zn²⁺ + Zn⁰ – токообразующая реакция.

    ЭДС = Е_катода – E_анода = (-0, 763) – (-0, 82) = +0, 057 В.

2) ГЭ из водородных электродов Pt, H₂|H⁺, рН=4||⁺, рН=2|H₂, Pt.

В левом полуэлементе  ЕН⁺/1/2Н₂= -0, 059рН= -0, 059∙ 4= -0, 236В.

В правом полуэлементе ЕН⁺/1/2Н₂= -0, 059рН= -0, 059∙ 2= -0, 118В.

Следовательно, левый элемент выступает в роли анода:

 А (-) H₂ - 2е  = 2H⁺   а правый в роли катода, на котором протекает реакции: К (+) 2H⁺ + 2е = H₂

H₂+ 2H⁺  = 2H⁺ + H₂ - токообразующая реакция.

    ЭДС = Е_катода – E_анода = (-0, 118) – (-0, 236) = +0, 118 В.

В случае концентрационных ГЭ различие между электродными потенциалами незначительно, поэтому ЭДС в них имеет невысокие значения.

Гальванические элементы получили широкое применение в качестве источников энергии, в первую очередь из-за их портативности и мобильности. Промышленность выпускает огромное количество разнотипных ГЭ. Они отличаются конструкцией, составом электролитов и другими параметрами. Вместе с этим все химические источники тока, работающие по принципу ГЭ, не свободны от недостатков: стоимость веществ, необходимых для их работы достаточно высока, а отношение количества энергии, которую может дать элемент, к его массе мало.