Гальванические элементы и их классификация. Процессы, протекающие при работе ГЭ. Расчет ЭДС и работы ГЭ

Гальванические элементы и их классификация. Процессы, протекающие при работе ГЭ. Расчет ЭДС и работы ГЭ. Окислительно-восстановительные и концентрационные ГЭ. Определение рН раствора.

Если два различных металла погрузить в раствор электролита, то между ними возникает электрическое напряжение (разность потенциалов). Такая схема:

Металл  1  ⁄    Раствор  электролита    ⁄   Металл   2

называется гальваническим элементом, или гальванической цепью. Вместо металлов в гальванической цепи можно использовать и другие вещества с металлической проводимость, например графит (угольный электрод).

Возникновение разности потенциалов между обоими металлическими электродами объясняется различной склонностью металлов отдавать катионы в раствор электролита. У поверхности каждого из электродов возникает двойной электрический слой, который оказывает противодействие дальнейшему переходу катионов в раствор. Если оба металла соединить металлическим проводником (обладающим электронной проводимостью), то вследствие электропроводимости раствора электролита (ионной проводимости) получается замкнутая электрическая цепь.

В этой цепи поток электронов будет перемещаться от менее благородного металла через внешний участок цепи (металлический проводник) к более благородному металлу. При этом в растворе электролита катионы будут двигаться к благородному металлу и разряжаться под действием имеющихся на нем электронов. В результате в замкнутой гальванической цепи возникает электрический ток.

Каждый гальванический элемент состоит из двух электродов (окислительно-восстановительных пар), один из которых является поставщиком электронов, а другой их принимает. При этом на одном электроде возникает избыток электронов, а на другом  - недостаток. Электрод с избытком электронов называют отрицательным полюсом гальванического элемента, или анодом, а электрод с недостатком электронов - положительным полюсом, или катодом.

Отрицательным полюсом гальванического элемента является менее благородный металл, на котором имеется избыток электронов.

Положительным полюсом гальванического элемента является более благородный металл, на котором имеется недостаток электронов.

Рекомендуемые материалы

Электроны по внешнему участку цепи (по металлическому проводнику) переходит от отрицательного к положительному полюсу гальванического элемента.

При условиях примерно равных концентраций электронов в растворах, в которые погружены электроды гальванического элемента, металл с меньшим значением стандартного потенциала будет отрицательным полюсом, а металл с большим значением стандартного потенциала – положительным полюсом. (в гальваническом элементе с цинковым и свинцовым электродами отрицательным полюсом будет цинк

(φ⁰=- 0,763В), а положительным полюсом свинец (φ⁰=- 0,126В). (стандартный потенциал свинца более положителен, чем цинка) На аноде происходит процесс окисления, и цинк переходит в раствор в виде катионов. Масса цинковой пластинки уменьшается, остающиеся на ней электроны сообщают ей отрицательный заряд.

Напряжение гальванического элемента тем выше, чем больше отличаются между собой значения стандартного потенциала электродов.

Напряжение, которое показывает вольтметр, подключенный к полюсам гальванического элемента, называется напряжением на клеммах. Это напряжение вследствие наличия внутреннего сопротивления источника напряжения меньше действительного напряжения, называемого электродвижущей силой, сокращенно э.д.с. (обозначение U).

Действительное напряжение гальванического элемента равно разности между стандартным потенциалом положительного полюса и стандартным потенциалом отрицательного полюса. 

U =  φ⁰ _{пол. п.} - φ⁰ _{отр .}

Если на электродах испытывает превращение один моль вещества, то по закону Фарадея через систему протекает количество электричества равное ΖF, где Ζ – число молей эквивалентов  в одном моле вещества.  Таким образом, максимальная электрическая работа гальванического элемента при превращении одного моля вещества W_мэ = ΖFЕ, где Е – эдс гальванического элемента. В то же время максимальная полезная работа W_м.р  которую может совершить система при протекании реакции при постоянном давлении, равна энергии Гиббса W_м.р = - ΔG

Частным случаем химических гальванических элементов являются окислительно-восстановительные элементы. Из двух электродов хотя бы один должен быть окислительно-восстановительным.  Если в качестве второго электрода  использовать стандартный водородный, то ЭДС элемента

(-) Р t, Н₂ | Н⁺ | | Fе³⁺ , Fе²⁺ | Р t

Р_Н2 = О_Н+ = 1

Равна электродному потенциалу оислительно-восстановительной системы.

Е = j _{Fе3+ / Fе2+} - j⁰ _Н+/Н2 =  j⁰ _{Fе3+ / Fе2+} + (RТ/F) ln (а_Fе3+/ а_Fе2+), где

j⁰ _{Fе3+ / Fе2+} - стандартный потенциал окислительно-востановительной системы, равный

ее потенциалу при а_Fе3+ = а_Fе2+

Электродные  и токообразующие процессы в таком элементе описываются уравнениями

(-) А : Н_{2 г} → 2Н⁺_р + 2е                         1

(+) К : Fе³⁺_р + е → Fе²⁺_р                                     2

∑ : 2Fе³⁺_р + Н_{2 г} → 2 Fе ²⁺_р + 2Н⁺_р

Концентрационные гальванические элементы состоят из двух одинаковых электродов, у которых различаются активности одного или нескольких участников электродного процессов. Они генерируют электрическую энергию за счет выравнивания химических потенциалов веществ в растворах. Существуют следующие концентрационные гальванические элементы:

- элементы с различной активностью иона в растворах электролита катодного и анодного пространств, например никелевый концентрационный гальванический элемент (-)Ni  | Ni²⁺  | | Ni ²⁺  | Ni (+)

                      а_1Ni2+     <    а_2Ni2+    

уравнение Нернста для расчета ЭДС такого элемента имеет вид

Е = (RТ / 2F) ln (а_2Ni2+   /а_1Ni2+  )  _, где а_1Ni2+    и а2_Ni2+     активности катионов никеля в анодном и катодном пространствах соответственно.

Уравнения электродных процессов

(-) А : Ni → Ni²⁺ + 2е

(+) К : Ni²⁺ +2е →Ni

- элементы с одним раствором электролита, у которого различаются активности металла в составе сплавов катода и анода или давление газа в газовых полуэлементах, например амальгамный концентрационный элемент:

  (-) Сd (Нg) | Сd SО₄ | Сd (Нg) (+)

            а_{1 Сd (Нg)}   >  а_{2 Сd (Нg)}  

и водородный концентрационный элемент

(-) Рt, Н₂ | Н⁺ | Н₂, Рt (+)

          р_1Н2  >  р _2Н2

уравнение Нернста для расчета ЭДС такого элемента имеет вид

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 14 Особенности разрушения композиционных материалов.

Е = (RТ / 2F) ln (а_{1Сd (Нg)}  / а_{2 Сd (Нg)} )  _, где а_{1Сd (Нg)}      и   а_{2 Сd (Нg)}     активности кадмия в амальгамах анода и катода

Анодами в концентрационных гальванических элементах всегда являются электроды с меньшими значениями активностей окисленной формы а_Вф = соnst (первый пример) или с большими значениями активностей восстановленной формы при

а_Оф = соnst  (второй пример) стандартная ЭДС для концентрационных гальванических элементов равна нулю.

Водородный показатель рН –это взятый с обратным знаком  десятичный логарифм концентрации ионов Н₃О⁺

рН = - lg [Н₃О] ⁺ =7.нейтральным будет раствор, у которого рН = 7. у кислых растворов рН<7, у щелочных рН >7.

Величина водородного показателя играет огромное значение в некоторых явлениях природы. От него зависит урожайность сельскохозяйственных культур. Кислые почвы известкуют. На основании знания рН почв разрабатываются методы улучшения почв. Для измерения рН существуют различные методы. Приближенно можно определить реакцию раствора с помощью индикаторов, окраска которых изменяется в зависимости от концентрации ионов Н⁺ или ОН^-. Лакмус краснеет в кислых средах – реакция кислая. Фенолфталеин в кислых - бесцветный (рН<8), а в щелочных - фиолетовый. Рн крови человека и животных величина постоянная. Коррозионные свойства воды тоже зависят от рН. Для многих растворов существуют  таблицы рН