7.2. Гальванические элементы

Если два различных металла погрузить в раствор электролита, то между ними возникает электрическое напряжение (разность потенциалов) из-за различной способности отдавать катионы в раствор. Такая система:

Металл 1  раствор электролита  Металл 2

называется гальваническим элементом или гальванической цепью. Если оба металла соединены металлическим проводником, то электроны будут перемещаться от менее благородного металла (с меньшим значением Е⁰) к более благородному металлу (с большим значением Е⁰). При этом в растворе электролита катионы будут двигаться к благородному металлу и разряжаться под действием имеющихся на нем электронов.

Электрохимические процессы, лежащие в основе действия гальванических элементов:

Неблагородный металл	Благородный металл
Окисление (отдача электронов, образование катионов)	Восстановление (прием электронов, разрядка катионов)

Пример. Гальванический элемент Даниэля-Якоби (рис. 2) состоит из цинкового электрода – цинковая пластина, погруженная в раствор сульфата цинка, – и медного электрода – медная пластина, погруженная в раствор сульфата меди:

Zn  ZnSO₄  CuSO₄ Cu

Таким образом, данный элемент представляет собой электрохими-ческую систему:

Металл 1  раствор электролита 1 раствор электролита 2 Металл 2

При замыкании цепи в этом элементе протекают следующие электродные процессы:

Zn⁰ - 2e^- = Zn²⁺ (окисление); Е⁰ = -0,76 В.

Cu²⁺ + 2e^- = Cu ⁰ (восстановление); Е⁰ = +0,34 В.

Cуммарная окислительно-восстановительная реакция:

Zn⁰ + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu ⁰

Каждый гальванический элемент состоит из двух электродов, один из которых поставляет электроны в гальваническую цепь, а другой их принимает. При этом на одном электроде возникает избыток электронов (в приведенном примере – на цинке), на другом – недостаток электронов (на меди).

Электрод с избытком электронов, металл которого имеет меньшее значение потенциала, называют отрицательным полюсом гальванического элемента или анодом, а электрод с недостатком электронов, металл которого имеет большее значение потенциала, – положительным полюсом, или катодом (в элементе Даниэля-Якоби это соответственно цинковый и медный электроды).

Отрицательным полюсом гальванического элемента является менее благородный металл, на котором имеется избыток электронов.

Положительным полюсом гальванического элемента является более благородный металл, на котором имеется недостаток электронов.

Электроны по внешнему участку цепи (по металлическому проводнику) переходят от отрицательного к положительному полюсу гальванического элемента.

Напряжение, которое показывает вольтметр, подключенный к полюсам (клеммам) гальванического элемента, называется напряжением на клеммах. Это напряжение вследствие наличия внутреннего сопротивления элемента, меньше действительного напряжения, называемого электродвижущей силой, (обозначение U). При стандартных условиях (25⁰С, 101,3 кПа, концентрация каждого электролита 1 моль/л)

действительное напряжение гальванического элемента равно разности между стандартным потенциалом положительного полюса и стандартным потенциалом отрицательного полюса:

U = Е⁰_пол.п - Е⁰_отр.п

Пример. Действительное напряжение гальванического элемента Даниэля-Якоби равно:

U = Е⁰_Cu - Е⁰_Zn = +0,34 - (-0,76) = 1,10 В.

Напряжение гальванического элемента тем выше, чем больше отличаются между собой значения стандартного электродного потенциала.

Уравнение электродного потенциала ( ур-е Нернста):

Подставляя численные значения

R,F, T=298K и переходя к lg:

Е— электродный потенциал

Е0— стандартный электродный потенциал, В

R — универсальная газовая постоянная, = 8.31Дж/(моль·K)

T — абсолютная температура, К

F — постоянная Фарадея, =96485,35 Кл·моль−1

n — число электронов, участвующих в процессе,