Гальванические элементы

Энергию, выделяющуюся в любой самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции, можно непосредственно использовать для выполнения электрической работы. Это осуществлено в гальваническом элементе, представляющем собой устройство, в котором перенос электронов происходит по внешнему пути, а не непосредственно между реагентами.

Два металлических элемента, соединенных внешней цепью, называются электродами. Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом, а электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом.

При схематическом изображении гальванического элемента граница раздела между металлом и раствором обозначается вертикальной чертой, граница между растворами электролитов - двойной вертикальной чертой. Например, схема гальванического элемента, в основе работы которого лежит реакция

Zn+Cu(NO₃)₂=Zn(NO₃)₂+Cu

изображается следующим образом

В данном случае металлические электроды непосредственно участвуют в реакции.

На аноде цинк окисляется

Zn⁰-2=Zn²⁺

и в форме ионов переходит в раствор, а на катоде медь восстанавливается

Cu²⁺+2=Cu⁰

и в виде металла осаждается на электроде.

Складывая уравнения электродных процессов, получаем суммарное уравнение реакции:

Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu

Гальванический элемент можно рассматривать как источник “движущей силы”, перемещающей электроны по внешней цепи от анода к катоду. Эта движущая сила называется электродвижущей силой (э.д.с.) и измеряется в вольтах (В). Если реакция осуществляется в стандартных условиях, т.е., если все вещества, участвующие в реакции, находятся в своих стандартных состояниях, то наблюдаемая при этом э.д.с. называется стандартной электродвижущей силой Е⁰ данного элемента.

Э.д.с. гальванического элемента может быть представлена как разность двух электродных потенциалов j, каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на одном из электродов.

Е=j_к-j_А (8.1)

На практике гальванические элементы редко действуют при стандартных условиях. Однако э.д.с. элемента, работающего при нестандартных условиях, можно вычислить по Е⁰, температуре и концентрациям реагентов и продуктов в гальваническом элементе. Уравнение, позволяющее проводить такие расчеты, получило название уравнения Нернста:

j_Ме/Меⁿ⁺=j⁰+´lg[Meⁿ⁺] (8.2)

где j⁰ - стандартный электродный потенциал, В; n - степень окисления элемента; [Meⁿ⁺] - концентрация металла, участвующего в соответствующей полуреакции.

Концентрацию металла рассчитываем по следующей формуле:

[Meⁿ⁺]=k´C_м´a (8.3)

где k - количество ионов металла в одной молекуле соли; С_м - молярная концентрация металла в растворе соли, ; a - степень диссоциации электролита, д.ед.

Гальванический элемент может быть составлен не только из различных, но и из одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, различающиеся только концентрацией (концентрационные гальванические элементы). Э.д.с. такого элемента также равна разности потенциалов составляющих его электродов.