Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Общие понятия о работе гальванического элемента



Гальванический элемент состоит обычно из двух полуэлементов, каждый из которых представляет собой электрод, опущенный в ионную среду. Ограничимся рассмотрением гальванических элементов, в которых ионной средой выступают водные растворы электролитов, например в общем виде:

- Металл I Электролит I   Электролит II Металл II +

На этих схемах одна вертикальная черта обозначает границу раздела твердой и жидкой фаз, т.е. электрод-электролит. Две вертикальные черты обозначают границу раздела двух жидких фаз, между которыми не возникает диффузионный потенциал Δφдиф. Если катионы и анионы, переходящие из одного электролита в другой, имеют разные подвижности, то на границе раздела фаз возникает диффузионный потенциал Δφдиф. В этом случае границу раздела двух жидких фаз разделяют на схеме пунктирной чертой.

Согласно Международной конвенции о системе знаков в схеме гальванического элемента (Стокгольм, 1953 г.) слева записывается электрод, на котором происходит окисление, а на правом электроде должна протекать реакция восстановления. При этом левый электрод (анод) будет иметь более отрицательный электродный потенциал φа по сравнению с электродным потенциалом правого электрода (катод) φк. При работе гальванического элемента, таким образом, возникает разность потенциалов, названная электродвижущей силой (ЭДС) элемента:

Δφ = φк – φа

ЭДС возникает при самопроизвольном протекании электродных реакций за счет убыли энергии Гиббса ΔG. При этом совершается полезная работа (электрическая), которая в условиях равновесия электрохимических реакций максимальна, положительна и равна

A = n F (φк – φа)

Если гальванический элемент работает при постоянстве температуры и давления, то

ΔG = -А = - n F Δφ,

где n – число электронов, участвующих в электрохимических реакциях окисления и восстановления;

F = 96485 Кулон

Электродные процессы представляют собой окислительно-восстановительные реакции, которые можно записать в следующем виде:

aA + bB + nē ↔ cC + dD

Если в электродном процессе участвует только одно вещество в окисленной и восстановленной формах, то запись реакции упрощается:

Ох + nē ↔ Red

Различают обратимые и необратимые электроды. При перемене направления электрического тока на обратимых электродах возникают реакции, противоположные по направлению, на необратимых – протекают реакции не обратные друг другу. Примером обратимого электрода служит медь в растворе, содержащем Cu2+. При прохождении тока в противоположных направлениях идут реакции Cu → Cu2+ + 2ē. К необратимым электродам относится, например, медь в растворе кислоты. Перемена направления тока приводит к реакциям 2H+ + 2ē → H2 и Cu → Cu2+ + 2ē. Общая реакция в электрохимической цепи будет



Ox1 + Red2 ↔ Ox2 + Red1

Примером обратимой цепи служит элемент Даниэля-Якоби. состоящий из цинкового и медного полуэлементов (рис. 3).

В цинковом полуэлементе металлическая цинковая пластина погружена в водный раствор соли цинка с концентрацией [Zn2+]=1 моль/л. В медном полуэлементе – металлическая медная пластина погружена в водный раствор соли меди (II) с концентрацией [Cu2+]=1 моль/л. Цинковая и медная пластины соединены металлическим проводником, растворы солей – «солевым мостиком» («электролитический ключ»).

Рис. 3. Гальванический элемент Даниэля-Якоби: 1- цинковая пластина (электрод); 2- медная пластина (электрод); 3,3- растворы электролитов (ZnSO4, CuSO4); 4- внутренняя цепь (U-образная трубочка, заполненная раствором электролита - KCl); 5- внешняя цепь – медная проволока; 6- гальванометр

До замыкания цепи на каждой из металлических пластин на границе с раствором устанавливаются равновесия:

Cuo(тв.) Сu2+(р-р) + 2ē(на мет.);

Zno(тв.) Zn2+(р-р) + 2ē(на мет.);

Цинковая пластина заряжена более отрицательно, чем медная. Между ними возникает разность потенциалов. При замыкании системы в цепь равновесия на границе металл–раствор нарушаются. По внешней цепи – металлическому проводнику – избыток электронов с цинковой пластины переходит на медную пластину, где их концентрация меньше, так как < .



В результате, равновесие на цинковой пластине смещается вправо, идет окисление металлического цинка. На медной пластине равновесие смещается влево, протекает восстановление ионов меди (II).

Анод Zn(мет) – 2ē → Zn2+(р-р) (процесс окисления)

Катод Cu2+(р-р) + 2ē → Сu(мет) (процесс восстановления)

В ионном виде эти два процесса запишутся как:

Zn(мет) + Cu2+(р-р) → Zn2+(р-р) + Cu(мет)

Молекулярное уравнение суммарной реакции

Zn + Cu(NO3)2 → Zn(NO3)2 + Cu

Между растворами электролитов также возникает разность потенциалов. В цинковом полуэлементе в результате растворения цинка увеличивается концентрация ионов Zn2+, в растворе создается избыток положительно заряженных ионов. В медном полуэлементе в результате осаждения меди концентрация ионов Cu2+ уменьшается и в растворе создается избыток отрицательно заряженных ионов. По внутренней цепи – «солевому мостику» – катионы и анионы перемещаются навстречу друг другу. Таким образом, в системе возникает направленное перемещение заряженных частиц, т.е. возникает электрический ток.

Электродвижущая сила – ЭДС – гальванического элемента определяется разностью потенциалов катода и анода:

> 0

В таком неравновесном режиме элемент Даниэля-Якоби будет работать до тех пор, пока полностью не растворится цинковая пластинка или полностью не восстановятся ионы меди Cu2+.

Для обозначения гальванического элемента используют символическую запись, упрощающую их описание, например, элемент Даниэля-Якоби может быть описан следующей краткой схемой:

ө Zn| ZnSO4 | | CuSO4 | Cu

 

полуэлемент полуэлемент

анод катод

 


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2019 год. Все права принадлежат их авторам!