Гальванические элементы

Гальванический элемент – это химический источник электрической энергии, которая вырабатывается за счет протекания окислительно-восстановительного процесса. При этом реакция окисления происходит на отрицательном электроде (аноде), а реакция восстановления – на положительном электроде (катоде). В роли анода выступает металл с более низким значением электродного потенциала (Е_А < Е_К).

Одним из наиболее простых гальванических элементов является медно-цинковый, или элемент Якоби - Даниеля. В нем проводником (внешняя цепь) соединены пластинки из меди и цинка, при этом каждый металл опущен в раствор соответствующей соли. Растворы CuSO₄ и ZnSO₄ соединены между собой солевым мостиком – стеклянной трубкой, заполненной раствором КCl (внутренняя цепь). Солевой мостик препятствует смешиванию растворов, проводит электрический ток (см. рисунок 2.2).

Рисунок 2. 2 Схема гальванического элемента Якоби - Даниеля

На электроде из цинка (аноде) происходит окисление атомов цинка в ионы (разрушение металла и получение электронов): Zn0–2ē=Zn2+. Поскольку электродный потенциал цинка (Е°Zn2+ / Zn = - 0,76 В)меньше, чем меди (Е° Cu2+ / Cu = 0,34 В), электроны по внешней цепи переходят на медную пластину.

На медном электроде (катоде) происходит восстановление ионов меди в атомы, которые осаждаются на электроде:

Cu²⁺ +2ē=Cu⁰.

Одновременно часть ионов SO₄^2- переходит по внутренней цепи из сосуда с CuSO₄ в сосуд с ZnSO₄.

Гальванический элемент обычно изображают электрохимической схемой, в которой слева направо записывают:

• анод (электрод, имеющий меньший потенциал);

• вертикальная линия (граница металла с раствором соли);

• ион соли;

• две вертикальные линии (граница между растворами);

• ион другой соли;

• вертикальная линия (граница раствора соли с металлом);

• катод (электрод, имеющий больший потенциал);

• в скобках указывают знаки полюсов.

Например, электрохимическая схема медно-цинкового гальванического элемента:

А (–) Zn | ZnSО₄ || СuSО₄ | Cu (+) К

Подобным образом обозначают любые гальванические элементы. При этом следует помнить, что слева принято указывать электрод с более электроотрицательным потенциалом.

Далее указываются процессы, протекающие на электродах:

А (–) Zn ⁰ – 2ē = Zn ²⁺ окисление

К (+) Сu ²⁺ + 2ē = Сu ⁰ восстановление

Суммарное уравнение процесса:

Zn⁰ + Сu²⁺ = Zn²⁺ + Сu⁰

или в молекулярной форме:

Zn + СuSО₄ = ZnSО₄ + Сu

Суммарная электрохимическая реакция называется токообразующей.

Рассмотренный гальванический элемент Якоби - Даниэля в прошлом веке широко использовался в качестве источника постоянного тока. Недостатком данного гальванического элемента и ему подобных является наличие жидких растворов, которые могут вытекать и попадать на окружающие предметы. Поэтому такие элементы в настоящее время используют только в лабораторных условиях.

Основной характеристикой гальванического элемента является его электродвижущая сила (ЭДС) или ∆Е, которая представляет собой разность электродных потенциалов в исходный момент работы элемента. ЭДС всегда является величиной положительной.

Стандартную ЭДС определяют как разность стандартных электродных потенциалов катода и анода:

ЭДС°= Е°_катода– Е°_анода (2.7)

В условиях, отличных от стандартных, расчеты ЭДС проводят, используя потенциалы металлов, рассчитанных по уравнению Нернста (2.3).

В нашем примере при концентрации ионов цинка и меди в растворах равных 1 г-ион/л:

∆Е = Е° _Cu²⁺ _{/ Cu} – Е° _Zn²⁺ _{/ Zn} = 0,34 – (– 0,76) = 1,1 В

Гальванический элемент может быть составлен не только из электродов, состоящих из разных металлов, но и из электродов одного металла, погруженных в растворы одного и того же электролита, но с различной концентрацией (активностью) ионов. Такой гальванический элемент называется концентрационным, поскольку ЭДС обусловлена только разностью концентраций ионов металла в растворах.

В таком гальваническом элементе – анодом является электрод, погруженный в раствор с меньшой концентрацией, катодом является электрод, погруженный в раствор с большей концентрацией (см. рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 Схема концентрационного гальванического элемента

Составим электрохимическую схему концентрационного гальва-нического элемента, образованного двумя серебряными пластинами, погруженными в растворы нитрата серебра разных концентраций С1 и С2 (причем С1 < С2): А (–) Аg| АgNО3 || АgNO3| Аg(+) К С1 < С2

Процессы, протекающие на электродах:

А (–) Ag⁰– ē =Ag⁺ окисление

К (+) Ag ⁺ + ē = Ag ⁰ восстановление

Поскольку анодом и катодом является один и тот же металл, то ЭДС такого элемента может быть определена по формуле:

ЭДС = lg (2.8)

где С_К – концентрация раствора на катоде, моль/л;

С_А – концентрация раствора на аноде, моль/л.

В ходе работы такого гальванического элемента, концентрация первого раствора С₁ (С_А) будет постепенно увеличиваться, а второго раствора С₂ (С_К) уменьшаться. По уравнению (2.8) ЭДС будет уменьшаться. Через некоторое время концентрации С₁ и С₂ станут одинаковыми, а ЭДС – равной нулю.