Електродні потенціали. Гальванічний елемент

Процеси взаємного перетворення хімічної і електричної форм енергії називають електрохімічними процесами. Вони найчастіше відбуваються у реальних системах, в яких існує контакт металічної поверхні з розчином електроліту. Провідники з електронною провідністю (провідники 1-го роду) називають електродами, а йонні провідники (провідники 2-го роду) – електролітами.

Здатність металів до утворення вільних позитивно заряджених йонів яскраво виявляється в реакціях витіснення металів з їхніх солей іншими, активнішими металами або під час взаємодії з кислотами-неокисниками. Так, якщо цинкову пластинку занурити в розчин купрум (ІІ) сульфату, то відбудеться окисно-відновна реакція

Zn + Cu²⁺ = Cu + Zn²⁺.

Ця реакція відбувається, наприклад, у гальванічному елементі, в якому цинкова пластинка (один електрод) занурена у розчин цинк сульфату, а мідна (другий електрод) – у розчин купрум (ІІ) сульфату (див. схему нижче). Цинк – активніший метал, тому між цинковим і мідним електродом виникає різниця потенціалів. Під’єднавши цинковий та мідний електроди до гальванометра і з’єднавши розчини U-подібною трубкою, заповненою розчином електроліту, отримують гальванічний елемент. Після встановлення у гальванічному колі контакту стрілка гальванометра відхиляється у напрямку до мідного електрода. Це свідчить про те, що під час роботи гальванічного елемента електрони рухаються від цинкового електрода до мідного.

Гальванічний елемент - це прилад, що служить для перетворення хімічної енергії окисно-відновної реакції на електричну. У гальванічному елементі електрони переходять від відновника до окисника не безпосередньо, а по провіднику електричного струму – по зовнішньому колу. Цей напрямлений потік електронів і є електричним струмом.

На цинковому електроді елемента відбувається розчинення цинку з перетворенням його атомів на йони, тобто процес окиснення:

Zn - 2 ē = Zn²⁺,

а вивільнені електрони по провіднику переходять на мідний електрод, де відбувається розряджання катіонів Купруму (процес відновлення), що супроводжується виділенням металічної міді:

Cu²⁺ + 2 ē = Cu.

Сумарне рівняння реакції, внаслідок якої у колі виникає електричний струм, матиме вигляд

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu.

Електрод, на якому відбувається процес окиснення, називається анодом, а електрод, на якому відбувається процес відновлення,– катодом.

Схематично описаний гальванічний елемент записують так:

(–) Zn|ZnSO₄||CuSO₄|Cu (+),

Зліва записують анод, справа – катод. Однією вертикальною лінією вказується межа „метал-розчин“, двома – „розчин-розчин“.

Різниця потенціалів між електродами (φ) визначає напругу Е (електрорушійну силу) гальванічного елемента.

Для обчислення E від величини потенціалу катода слід відняти величину потенціалу анода.

Е = φ_к – φ_а,

φ_к – потенціал катоду, В;

φ_а – потенціал аноду, В.

Величина електродного потенціалу залежить від температури, концентрації йонів металу. Дана залежність електродного потенціалу виражається рівнянням Нернста:

φ = φ⁰ ,

де φ⁰ – стандартний електродний потенціал, В;

R – універсальна газова стала, 8,31 Дж/моль·К;

T – температура, К;

n – кількість електронів, що беруть участь у електрохімічному процесі;

F – стала Фарадея – 96500 Кл/моль;

[Me ⁿ⁺] – концентрація йонів металу в розчині, моль∙екв/дм³.

Якщо перейти від натуральних логарифмів до десяткових, то, для стандартних умов: