24. Уравнение Нернста для электродного потенциала и гальванического элемента.
Электрод – система, состоящая из контактирующих проводников первого рода и второго рода, на межфазной границе которых возникает двойной электрический слой.
Потенциалы, возникающие на металлах, погруженных в растворы собственных солей, называются электродными потенциалами.
Причиной возникновения электродного потенциала является переход некоторого количества металла в раствор в виде положительно заряженных ионов как результат взаимодействия металла с диполями воды:
Величина электродного потенциала металлического электрода зависит от температуры и активности (концентрации) иона металла в растворе, в который опущен электрод; математически эта зависимсть выражается уравнением Нернста (здесь F – постоянная Фарадея, Кл/моль, n – заряд иона, – активность потенциалопределяющих ионов металла в растворе, моль/л):
В уравнении Нернста φ0 – стандартный электродный потенциал, равный потенциалу электрода при активности иона металла, равной 1 моль/л. Стандартные электродные потенциалы электродов в водных растворах составляют ряд напряжений. Величина φ0 есть мера способности окисленной формы элемента или иона принимать электроны, то есть восстанавливаться. Иногда различием между концентрацией и активностью иона в растворе пренебрегают, и в уравнении Нернста под знаком логарифма находится концентрация ионов в растворе.
Для того чтобы, можно было сравнить электродные потенциалы, возникающие в различных электродах, необходимо выбрать точку отсчета. За такую точку приняли потенциал водородного электрода, величину которого считают равной 0. На основе этого, построен ряд стандартных электродных потенциалов металлов (ряд активности металлов).
В качестве условно-нулевого потенциала выбран потенциал стандартного водородного электрода: Н+ | (H2)Pt, в котором давление продуваемого водорода равно 1 атм, а активность ионов водорода в растворе равна 1.
Электродная реакция:
Гальванические элементы – это системы, состоящие из двух электродов, в которых энергия химических реакций превращается в электрическую энергию.
Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых протекают эти процессы, называются анодами.
Процессы восстановления в электрохимии получили название катодных процессов, а электроды, на которых идут эти процессы, получили название катодов.
25. Гальванический элемент Даниэля-Якоби. Принцип действия, эдс.
Гальванические элементы – это системы, состоящие из двух электродов, в которых энергия химических реакций превращается в электрическую энергию.
Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых протекают эти процессы, называются анодами.
Процессы восстановления в электрохимии получили название катодных процессов, а электроды, на которых идут эти процессы, получили название катодов.
Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента – максимальная разность потенциалов, возникающая при обратимой работе гальванического элемента. Если реакция протекает в стандартных условиях, то есть, если все вещества, участвующие в реакции, находятся в своих стандартных состояниях, то наблюдаемая при этом ЭДС называется стандартной электро-
движущей силой E0.
ЭДС гальванической цепи представляет собой разность потенциалов катода и анода:
Е = φк - φа
Биметаллические элементы – системы, состоящие из двух различных электродов.
Примером такого гальванического элемента является медно-цинковый гальванический элемент (Даниэля-Якоби).
Гальванический элемент Даниэля-Якоби состоит из двух электродов, которые находятся в растворах собственных ионов, в частности, из медной пластинки, погруженной в раствор СuSO4 и цинковой пластинки, погруженной в раствор ZnSO4. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга перегородкой.
Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного, поэтому при замыкании внешней цепи электроны будут переходить с цинкового электрода на медный. Таким образом, цинковый электрод будет анодом, так как на нем проходит процесс окисления цинка, а медный электрод будет катодом, так как на нем происходит восстановление меди. Растворы ZnSO4 и CuSO4 связаны «солевым мостиком». Солевой мостик – это стеклянная U-образная трубочка, наполненная агар-агаром, набухшим в насыщенном растворе КСl.
Анод: Zn – 2ē → Zn2+ – процесс окисления.
Катод: Cu2+ + 2ē → Cu – процесс восстановления.
Zn + Cu2+ → Zn2+ +Cu – суммарная химическая реакция.
Вследствие протекания этой реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи, то есть электрический ток. Поэтому суммарная реакция в гальваническом элементе называется токообразующей.
При схематической записи гальванического элемента границу раздела между проводником первого рода и проводником второго рода изображают одной вертикальной чертой, а границу раздела между проводниками второго рода – двумя чертами:
(Анод) Zn | Zn2+ | | Cu2+ | Cu (Катод).
Анод записывается слева, а катод справа.
Уравнение для расчета стандартной ЭДС будет выглядеть следующим
образом:
