Тема 12 Гальванические элементы. Аккумуляторы

Гальванический элемент - устройство, в котором энергия самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции превращается непосредственно в электрическую, т.е. гальванические элементы являются источником постоянного электрического тока.

Простейшим гальваническим элементом является элемент Даниэля-Якоби (рис 1), состоящий из цинкового и медного электродов, погруженных в растворы сульфатов цинка и меди.

Растворы разделены полупроницаемой мембраной. На цинковом электроде окисляется цинк

Zn = Zn² + 2 (анодный процесс).

Р и с. 1. Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби

Электроны окисленных атомов по внешней цепи поступают на медный электрод, где ионы меди восстанавливаются из раствора

Сu²⁺ + 2 = Сu (катодный процесс).

Одновременно часть ионов для выравнивания отрицательных потенциалов катодного и анодного пространств переходит через пористую перегородку в сосуд с раствором сульфата цинка. Суммарное уравнение процесса

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Сu.

Электроды называются в соответствии с происходящими на них процессами. Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом, электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом. Электрическая схема рассмотренного гальванического элемента записывается следующим образом

A(-)Zn|Zn²⁺‖Cu²⁺|Cu(+)K

Одинарная вертикальная черта означает границу раздела между электродом и электролитом, а двойная черта означает границу между проводниками второго рода, т.е. электролитами. На каждом электроде возникает собственный электродный потенциал. Разность этих потенциалов называется напряжением гальванического элемента Δφ (электродвижущей силой или ЭДС) и всегда является положительной величиной, так как определяется вычитанием более отрицательного потенциала из более положительного.

Так, для элемента Даниэля-Якоби

Δφ = φ_к – φ_а = φ_Cu – φ_Zn = 0,34 – (-0,76) = 1,1 B.

Пример. Вычислить Э.Д.С. гальванического элемента‌‌‌

(-) Сd |Сd(NO₃)₂ || Hg(NO₃)₂ | Hg (+),

зная, что концентрации растворов Сd(NO₃)₂ и Hg(NO₃)₂ соответственно равны 1М, 0,01М. Напишите электронные уравнения процессов, происходящих на электродах.

Р е ш е н и е. Δφ. = φ_{Hg / Hg}⁺² - φ_{Cd / Cd}²⁺. При концентрации раствора Сd(NO₃)₂ 1М φ_Cd/Cd²⁺ равен нормальному электродному потенциалу кадмия, т.е. – 40 В

φ_{Hg / Hg}⁺² , вычислим по формуле Нернста:

φ = φ⁰ +( 0,059 / n ) х lgC,

где φ⁰ - нормальный электродный потенциал металла, n - валентность металла; С – концентрация ионов металла в растворе (моль/л)

φ_{Hg / Hg}⁺² = 0,85 + 0,059/2* lg10^-2 = 0,798 В

Δφ = 0,792 – (-0,40) = 1,192 В

Электронные уравнения процессов, происходящих на электродах

Сd – 2е = Сd²⁺,

Hg²⁺ - 2е = Hg

Задания

221. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах гальванического элемента (-) Zn | ZnCl₂|| CuCl₂|Cu (+). Вычислите ЭДС этого элемента, зная, что концентрация растворов ZnCl₂ и CuCl₂ соответственно равны 0,01М и 0,1М.

222. На основе какой из реакций может работать гальванический элемент:

Mg + ZnSO₄ = MgSO₄ + Zn;

MgCl₂ + ZnSO₄ = MgSO₄ + ZnCl₂.

Составьте схему гальванического элемента, уравнения полуреакций катодного и анодного процессов, ионные уравнения реакций.

223. Железная и серебряная пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор H₂SO₄. Напишите электронные уравнения процессов, происходящих на электродах данного гальванического элемента

224. Вычислите ЭДС гальванического элемента (-)Мg|МgSO₄||NiSO₄|Ni(+), зная, что растворы МgSO₄ и NiSO₄ одномолярны. Изменится ли Э.Д.С., если одномолярные растворы МgSO₄ и NiSO₄ заменить 0,1М растворами тех же солей? Напишите электронные уравнения процессов, происходящих на электродах.

225. Рассчитайте ЭДС элемента, образованного кадмиевым электродом, погруженным в 0,01 М раствор CdSO₄, и медным электродом, погруженным в 1 М раствор CuSO₄. Составьте схему, напишите уравнения анодного и катодного процессов, протекающих при работе этого элемента.

226. Вычислите ЭДС гальванического элемента (-) Сd| Сd(NO₃)₂ || АgNO₃| Аg (+), зная, что концентрация растворов Сd(NO₃)₂ и АgNO₃ соответственно равны 0,001М и 0,01М.Напишите электронные уравнения процессов, происходящих на электродах.

227. Составьте схему двух гальванических элементов, в одном из которых кадмий является анодом, в другом - катодом. Напишите электронные уравнения процессов, происходящих на электродах.

228. Составьте схему гальванического элемента, при работе которого протекает реакция

Ni + Pb(NO)₂ = Ni(NO)₂ + Pb.

Напишите электронные уравнения процессов, происходящих на электродах.

229. Составьте схему двух гальванических элементов, в одном из которых медь является анодом, в другом - катодом. Напишите электронные уравнения процессов, происходящих на электродах.

230. Вычислите ЭДС гальванического элемента (-) Zn|ZnSO₄||NiSO₄|Ni (+), зная, что растворы ZnSO₄ и NiSO₄ соответственно равны 0,01М и 0,001М. Напишите электронные уравнения процессов, происходящих на электродах

231. Вычислите ЭДС гальванического элемента, составленного из двух свинцовых пластин, одна из которых погружена в 1М раствор Pb(NO)₂ , другая в 0,0001М раствор той же соли. В каком направлении перемещаются электроны при работе этого элемента?

232. Вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из кадмиевого электрода, погруженного в 0,1М раствор сульфата кадмия, и стандартного водородного электрода. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах.

233. Составьте схему двух гальванических элементов, в одном из которых никель является анодом, в другом – катодом. Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на электродах.

234. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке свинцового аккумулятора?

235. При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001 М растворе, а другой такой же электрод – в 0,01 М растворе сульфата никеля.

236. В два сосуда с голубым раствором сульфата меди поместили: в первый цинковую пластинку, а во второй – серебряную. В каком сосуде цвет раствора постепенно пропадает? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

237. Какие химические процессы протекают на электродах при зарядке и разрядке кадмий - никелевого аккумулятора?

238. Составьте схему работы гальванического элемента, образованного железом и свинцом, погруженными в 0,001 М растворы их солей. Рассчитайте ЭДС этого элемента.

239. Электродами гальванического элемента являются две серебряные пластины, одна из которых погружена в 1М раствор АgNO₃, другая в 0,001М раствор той же соли. Вычислите ЭДС гальванического элемента. В каком направлении перемещаются электроны при его работе?

240. Составьте схему работы гальванического элемента, образованного железом и свинцом, погруженными в 0,001 М растворы их солей. Рассчитайте ЭДС этого элемента.