В гальваническом элементе анодом является металл, который имеет меньшее значение стандартного электродного потенциала 0Ме.

Типы гальванических элементов

Гальванический элемент Вольта состоит из двух различных металлических пластин, погруженных в раствор электролита, пример – цинковая и медная пластины в растворе серной кислоты. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, восстановление на другом.

Рис. 3 – Схема гальванического элемента Вольта

Значения стандартных электродных потенциалов меди и цинка:

^о_Сu = + 0,34 B, ^о_Zn = - 0,76 B.

Следовательно, цинковый электрод в данном гальваническом элементе является анодом, а медный – катодом. Цинк отдаёт электроны, то есть окисляется, и его ионы переходят в раствор, на медном катоде происходит восстановление ионов водорода.

Уравнения электродных процессов:

А: Zn^о - 2 = Zn²⁺

K (Cu): 2H⁺ + 2 = H₂

Суммарное уравнение реакции, лежащей в основе работы данного гальванического элемента:

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂

Гальванический элемент Якоби-Даниэля состоит из двух различных металлических пластин, каждая из которых погружена в раствор своей соли. Пример – цинковая и медная пластины, погруженные в растворы сульфатов цинка и меди соответственно.

Рис. 4 – Схема гальванического элемента Якоби-Даниэля

Цинковый анод окисляется, и катионы цинка переходят в раствор. На медном катоде происходит восстановление ионов меди.

Уравнения электродных процессов:

А: Zn^о - 2 = Zn²⁺

K: Cu²⁺ + 2 = Cu

Суммарное уравнение реакции, которая служит источником электрической энергии в медно-цинковом гальваническом элементе Якоби-Даниэля, имеет вид:

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu

Для условного изображения гальванических элементов принята специальная форма записи, при которой все составляющие их вещества записываются подряд в одну строку. При этом отрицательный электрод записывается слева, а положительный - справа. Одна вертикальная линия на схеме означает границу между металлом и раствором, а две линии - границу между растворами (пористую перегородку или соединительную трубку, заполненную раствором электролита, которую называют солевым мостиком). Например, рассмотренный медно-цинковый гальванический элемент Якоби-Даниэля изображается так:

‾ Zn | Zn SO₄ || Cu SO₄ | Cu ⁺

Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.

Для расчета ЭДС гальванического элемента необходимо из потенциала катода вычесть потенциал анода:

Например, ЭДС гальванического элемента, образованного цинковой и медной пластинами, погруженными в растворы своих солей с концентрациями 1 моль/л, рассчитывается:

Концентрационный гальванический элемент состоит из двух одинаковых электродов, погруженных в растворы с разными концентрациями одной соли.

Из формулы Нернста видно, что значение равновесного электродного потенциала зависит от концентрации его ионов в растворе. Следовательно, ЭДС может возникнуть за счет разности концентраций одного и того же электролита, в растворы которого погружены электроды из одного и того же металла.

Катодом в концентрационном гальваническом элементе является электрод, погруженный в раствор с большей концентраций соли, его равновесный потенциал будет больше. Анодом является электрод, погруженный в раствор с меньшей концентрацией.

ЭДС концентрационного гальванического элемента рассчитывается по формуле:

С _катод - концентрация электролита у катода,

С _анод - концентрация электролита у анода.

Концентрационный гальванический элемент будет работать до тех пор, пока не выровняются концентрации обоих растворов.

Работа (А) любого гальванического элемента может быть определена по формуле:

F – постоянная Фарадея.

Работа обратимого гальванического элемента соответствует энергии Гиббса:

В процессе работы гальванического элемента его ЭДС, как правило, уменьшается. Это вызвано изменением значений электродных потенциалов катода и анода при протекании через них электрического тока. Например, при работе элемента Вольта выделяющийся на медной пластине газообразный водород частично поглощается ею, как бы изолируя электрод от раствора. Тем самым затрудняется дальнейшее разряжение водорода, и на катоде скапливается избыточное количество электронов. Это приводит к смещению потенциала катода в отрицательную сторону (катодная поляризация). Увеличение концентрации ионов растворяющегося металла вблизи цинковой пластины сдвигает потенциал анода в положительную сторону (анодная поляризация). Изменение потенциалов электродов при работе гальванического элемента называется их поляризацией. Поляризация электродов приводит к уменьшению ЭДС, поэтому на практике её стараются устранить

Экспериментальная часть

Опыт 1. Определение ЭДС медно-цинкового гальванического элемента.

Выполнение опыта проводится на установке, которая изображена на рис. 5.

Порядок выполнения работы.

1. В один батарейный стакан налить 1 М раствор CuSO₄ (до 0,5 объема стакана), в другой – такой же объем ZnSO₄.

2. Закрепить в крышках стаканов с помощью универсальных клемм цинковую и медную пластинки и погрузить их в растворы солей этих металлов.

3. Соединить стаканы U-образной трубкой.

4. Собрать схему (рис. 5). Цепь не замыкать.

5. Замкнуть цепь и одновременно включить секундомер. Записать показания вольтметра. Убедиться с помощью гальванометра в наличии тока в цепи.

6. Наблюдать, измениться ли во времени ЭДС. Через десять минут после включения разомкнуть цепь, записать показания вольтметра.

7. Вынуть U-образную трубку и поместить в склянку с концентрированным раствором нитрата калия. Открепить цинковую и медную пластины, промыть их водопроводной водой и протереть фильтровальной бумагой.

8. Растворы перелить в соответствующие склянки и промыть стаканы дистиллированной водой.

Рис. 5 – Установка для определения ЭДС гальванических элементов: 1 – батарейный стакан, 2 – стеклянная трубка, 3 – изолирующие крышки, 4 – универсальные клеммы, 5 – электроды, 6 – провода, 7 – вольтметр, 8 – гальванометр, 9 – секундомер, 10 – выключатель

9. В отчете записать: а) краткую схему гальванического элемента, б) уравнение процесса окисления на аноде, в) уравнение процесса восстановления на катоде, г) суммарное уравнение окислительно – восстановительной реакции.

10. Зарисовать схему работающего медно – цинкового гальванического элемента и указать на ней стрелками направление движения электронов и ионов.

11. Рассчитать теоретическую величину ЭДС гальванического элемента.

12. Сделать вывод, является ли исследованный гальванический элемент практически поляризующимся.

13. Рассчитать относительную погрешность по формуле:

Е_эксп – ЭДС, определенная сразу после замыкания цепи.

В таком же порядке изучить работу гальванических элементов, заданных преподавателем.

Примечание и меры предосторожности

В данной работе используются растворы сульфата меди и цинка. При работе с ядовитыми веществами (CuSO₄, ZnSO₄) необходимо соблюдать максимальную осторожность. Наливая эти жидкости в реакционные сосуды, нужно следить, чтобы не пролить их на руки или на стол. После работы тщательно убрать рабочее место и вымыть руки с мылом.

Контрольные вопросы

1. Какие приборы называются гальваническими элементами?

2. Что представляет собой водородный электрод?

3. Что называется стандартным электродным потенциалом металла?

4. Какие выводы можно сделать из положения металла в ряду напряжений?

5. Как по формуле Нернста определить значение равновесного электродного потенциала металла?

6. Как рассчитывается ЭДС гальванического элемента?

7. В чем отличие гальванического элемента Якоби-Даниэля от элемента Вольта?

8. Рассчитать ЭДС гальванического элемента, образованного никелевым электродом, погруженным в 0,1 М раствор NiSO₄, и медным электродом, погруженным в 1 М раствор CuSO₄.

9. Составить схемы двух гальванических элементов Якоби-Даниэля, в одном из которых медь является катодом, а в другом – анодом.