Гальванические элементы Возникновение двойного электрического слоя на границе металла и раствора
Общие свойства металлов:
электропроводность,
теплопроводность,
пластичность
- обусловлены типом химической связи в металлах, которая так и называется металлическая связь.
Суть металлической связи заключается в том, что часть атомов в металле теряет свои валентные электроны, превращаясь в ионы.
Таким образом, в узлах кристаллической решетки любого металла располагаются как нейтральные атомы, так и положительные ионы. Потерянные электроны располагаются в междоузлиях, образуя так называемый коллективный электронный газ, рис.1.
Рис.1
Ионы металла, располагающиеся на его границе, гидратируются молекулами воды:
,
рис.2.
Рис.2
Под влиянием всевозможных видов движения гидратированные ионы отрываются от металла и уходят в воду:
На границе металла и воды возникает двойной электрический слой, т.е. скачок потенциала Up,В, который называется равновесным электродным потенциалом.
Знак потенциала определяется по заряду металла. Количество ионов металла, содержащихся в литре насыщенного раствора, называется растворимостью металла.
По величине растворимости металлы подразделяются на:
активные,
пассивныe.
Электродные потенциалы активных и пассивных металлов
Рис.3 |
Рассмотрим систему, в которой металл помещён в солевой раствор, рис3. Например, цинк, помещённый в раствор сульфата цинка. |
К активным металлам относится те, мера растворимости которых больше концентрации солевых растворов, принятых в электрохимии.
Если металл является активным, то равновесие обратимой реакции смещено в прямом направлении, т.е. в сторону окисления:
Возникающий электродный потенциал имеет знак "-".
Пассивные металлы те, у которых величина растворимости меньше принятой в электрохимии концентрации солевых растворов.
В данном случае равновесие реакции смещено в обратном направлении, т.е. в сторону восстановления. Возникающий электрический потенциал имеет знак "+".
Величина равновесного электродного потенциала
Нернст установил эту величину
,
где
φ0 - стандартный электродный потенциал, т.е. потенциал, возникающий при нормальных условиях, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, К, F - число Фарадея, F = 96500 Кл, n - число электронов, участвующих в реакции.
Переходя от натурального логарифма к десятичному и подставляя в уравнение значение T=298K и соответствующие значения R и F, получаем выражение:
Устройство и работа гальванического элемента
Гальванический элемент - это устройство, состоящее из двух или более электродов, соединенных между собой.
ХИЭЭ - химический источник электроэнергии (гальванический элемент).
В гальваническом элементе все время происходит нарушение равновесия данной реакции.
Гальванический элемент Якоби - Даниэля состоит из двух металлов с различными электродными потенциалами, например, меди и цинка. Электроды соединены между собой двояко. Металлические электроды соединены между собой металлическим проводником, а солевые растворы соединены либо полупроницаемой мембраной (рисунок), либо электролитическим ключом (рисунок).
Электролитический ключ проводит анионы. Таким образом, в гальваническом элементе двоякая проводимость: электронная и ионная. Анодом является активный металл, катодом - пассивный.
Чем меньше алгебраическая величина электродного потенциала, тем более активным является металл. В данном гальваническом элементе по соотношению потенциалов цинковый электрод является анодом, а медный - катодом.
Анод окисляется:
Освободившиеся электроны с анода переходят на катод, а ионы уходят в раствор. Ионы меди из солевого раствора подходят к металлу и здесь восстанавливаются:
Избыток анионов из катодного солевого раствора в силу диффузии по электролитическому ключу переходит в катодный раствор, замыкая цепь.
Во внутренней цепи гальванического элемента возникает электроток. Окислительно - восстановительная реакция
является причиной возникновения электротока. Кроме того, гальванический элемента обладает ЭДС, которая представляет собой разность между катодным и анодным потенциалами:
Электрохимическая схема гальванического элемента
Недостатки элемента Якоби- Даниэля:
малая Э Д С,
разрушаемый анод.