28. Гальванический элемент и его э. Д. С. Влияние условий на протекание овр.

Ответ. Гальванический элемент – это устройство, в котором на основе ОВР получают электрический ток. Гальванический элемент состоит из электродов, внешней цепи и электролитического ключа. С физической точки зрения разность электродных потенциалов это - электродвижущая сила гальванического элемента (ЭДС). Поскольку в гальваническом элементе протекает самопроизвольная реакция, т.е. ток вырабатывается, то: E > 0. При этом потенциал катода больше потенциала анода (E_К > E_А), и в процессе работы гальванического элемента электроны перемещаются от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Поэтому ЭДС можно рассчитать по формуле:

E = EК - EА

При расчете ЭДС гальванического элемента, составленного из стандартных электродов в формулу необходимо подставлять стандартные значения электродных потенциалов:

E = EК - EА

где E - стандартная ЭДС гальванического элемента. Если же условия работы гальванического элемента отличаются от стандартных, то в формулу необходимо подставлять уравнения Нернста для соответствующих полуреакций. Поэтому в общем виде, для химической реакции: aA + bB = cC + dD. ЭДС (E) можно рассчитать по формуле:

где E - стандартная ЭДС; [A], [B] и [C], [D] - молярные концентрации исходных веществ и продуктов реакции соответственно; R - универсальная газовая постоянная; F - постоянная Фарадея, T - абсолютная температура, n - число электронов, принимающих участие в элементарной электрохимической реакции. Для более точных расчетов вместо молярной концентрации следует использовать значения активности ионов, принимающих участие в реакции. При экспериментальном измерении ЭДС гальванических элементов применяются специальные методики (например, компенсационный метод) или используют измерительное оборудование, имеющее высокое внутренне сопротивление (например, высокоомные вольтметры). Чем большим сопротивлением будет обладать измерительный прибор, тем меньший ток будет протекать в цепи, тем меньшее влияние будет оказывать поляризация и тем ближе к искомой ЭДС будет показание измерительного прибора. Реальное напряжение (U) гальванического элемента всегда меньше ЭДС из-за поляризации и омических потерь: U = Е - IR - , где I - сила тока; R - омическое сопротивление;  - поляризация элемента, равная сумме поляризаций анода и катода. Таким образом, напряжение при разряде зависит от ЭДС элемента т.е. в основном обусловлено: типом и свойствами активных материалов электродов; составом и концентрацией электролита и деполяризатора; поляризацией; омическими потерями и температурой гальванического элемента. По мере работы элемента (разряда) уменьшается концентрация исходных реагентов и увеличивается концентрация продуктов реакции, поэтому в соответствии с уравнением ЭДС элемента уменьшается. Вследствие этого при разряде элемента напряжение его постепенно падает. С ростом же температуры напряжение гальванического элемента, как правило, немного возрастает. Описание работы гальванического элемента. При замыкании цепи под влиянием разности потенциалов в цепи начинает течь электрический ток. Так, катион цинка покидает кристаллическую фазу и переходит в раствор (цинковая пластинка начинает растворяться), а электроны движутся по проводнику по внешней цепи к медной пластинке. При этом электроны могут совершить работу. Обратите внимание: электроны в нашей системе двигаются от цинка к меди, т.е. справа налево, а электрический ток течет наоборот, слева направо, так как за направление электрического тока принято направление движения положительных зарядов. В тот момент, когда ион цинка переходит из пластинки в раствор, в растворе оказывается больше положительных ионов, чем отрицательных (нарушается уравнение электронейтральности), вследствие чего часть анионов соли электролитического ключ мигрирует из геля в раствор соли цинка. Тогда в растворе соли меди также возникает избыток катионов, в результате чего катион меди осаждается на медную пластинку (масса медной пластинки увеличивается), принимая два электрона из внешней цепи.

Таким образом, измерив изменение массы металлической пластинки, можно сделать вывод о том, какое количество вещества израсходовалось (образовалось), а также определить, какой из электродов был катодом, а какой – анодом.