3. Гальванический элемент.

Гальванический элемент представляет собой двухэлектродную систему с самопроизвольно протекающим электрохимическим процессом. В гальваническом элементе происходит самопроиз­вольное превращение химической энергии в электрическую.

В контрольной работе рассматривается гальванический элемент, состоящий из двух металличе­ских электродов, каждый из которых включает металлический проводник электронов, погруженный в раствор соли того же металла. Редоксипары таких электродов состоят из окислителя - катионов металла Меⁿ⁺ и соответствующего восстановителя - атомов металла Me: Меⁿ⁺/Ме.

Электрическая цепь гальванического элемента данного типа состоит из внешнего и внутреннего участков. Внешний участок цепи посредством того или иного проводника соединяет металлические электроды; во внешней цепи электроды замыкаются на потребителя электрического тока или на элек­троизмерительный прибор. Внутренний участок цепи соединяет растворы солей электродов посредст­вом жидкостного мостика, заполненного насыщенным раствором КС1 и агар-агаром.

Характер электродных процессов в гальваническом элементе определяется относительными зна­чениями электродных потенциалов электродов. Окисление протекает на поверхности металлического проводника электрода, содержащего наиболее сильный восстановитель, т.е. анодом является электрод с меньшим значением электродного потенциала; электрод с большим значением электродного потенциала является катодом. Соответственно относительным величинам электродных потенциалов анод в гальванических элементах маркируется знаком катод - знаком "+".

Следует иметь в виду, что для металлических электродов величина электродного потенциала за­висит от концентрации катионов металла. Эта зависимость выражается формулой Нернста:

E(Meⁿ⁺/Me)=E°(Meⁿ⁺/Me)+(0,059/n)Ig С(Мe ⁿ⁺ ) (3.1)

где С(Меⁿ⁺) - молярная концентрация катионов металла, n - число электронов, Е°(Меⁿ⁺/Ме) - стандартный электродный потенциал металлического электрода, Е(Меⁿ⁺/Ме) - электродный потенциал электрода при концентрации катионов металла С(Меⁿ⁺).

Для представления гальванических элементов используется схематическая форма записи, которая начинается обозначением анода и заканчивается обозначением катода; в схеме гальванического элемента принято указывать число электронов, переходящих во внешней цепи от анода к катоду и далее из проводника катода к окислителю катода. Так гальванический элемент, состоящий из двух металлических электродов Me_Iⁿ⁺/Me_I и Ме_IIⁿ⁺/Ме_II, в котором Me_Iⁿ⁺/Me_I - анод (А), а Ме_IIⁿ⁺/Ме_II - катод (К), записывается:

ne

A- Me_I / Me_Iⁿ⁺// Ме_IIⁿ⁺/ Ме_II +К (3.2)

Разность электродных потенциалов гальванического элемента называется его электродви­жущей силой (ЭДС). В соответствии с направлением самопроизвольного перехода электронов в галь­ваническом элементе (см. 3.2) его ЭДС - Е определяется как разность электродных потенциалов катода - Ек и анода - Еа: Е=Ек-Еа (3.3)

Для гальванического элемента, записанного в (3.2), ЭДС равна: Е= Е(Ме_IIⁿ⁺/Ме_II) - E(Me_Iⁿ⁺/Me_I).

Пример 3.1. Металлический проводник, изготовленный из кобальта, погружен в 0,01 М раствор Co(NO₃)₂. Рассчитать величину электродного потенциала этого электрода.

Для данного электрода, пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, подобрать катод. Записать схему гальванического элемента, для которого составить уравнения электродных про­цессов и уравнение электрохимического процесса, определить значение ЭДС, считая электродный по­тенциал катода равным его стандартному значению, и рассчитать величину стандартной ЭДС.

Окислительно-восстановительная пара рассматриваемого электрода записывается: Со²⁺/Со.

По формуле (3,1) рассчитываем величину электродного потенциала данного электрода:

Е(Со²⁺/Со) = Е°(Со²⁺/Со)+(0,059/n)lgC(Со²⁺) = -0,28+(0,059/2)lg0,01 = -0,28-0,059 = -0,339В.

По отношению к электроду Со²⁺/Со в качестве катода можно использовать любой электрод с большим электродным потенциалом, например медный электрод Си²⁺/Си, стандартный электродный потенциал которого равен: Е°(Си²⁺/Си) = 0,34В. Записываем схему гальванического элемента с вы­бранным катодом: ^2e

А - Со/Со²⁺// Cи²⁺/Cu+К

Записываем уравнения электродных процессов и уравнение электрохимического процесса, протекающего в данном гальваническом элементе:

Со=Со²⁺+2е - уравнение анодного окисления.

Си²⁺+2e=Си -уравнение катодного восстановления.

Со+Си²⁺=Со²⁺+Си-уравнение электрохимического процесса.

По формуле (3.3) определяем величину ЭДС:

Е=Ек - Еа= Е°(Си²⁺/Си) - E(Co²⁺/Co)=0,34 - (-0,339)=0,679В.

Стандартную ЭДС рассчитываем по табличным значениям стандартных электродных потен­циалов: Е°=Е°(Си²⁺/Си) - Е°(Со²⁺/Со) =0,34 - (-0,28)=0,62В.