Гальванический элемент Якоби-Даниэля. ЭДС

7.3. Гальванический элемент Якоби-Даниэля. ЭДС

Превращение химической энергии в электрическую проис­ходит в электрохимических системах, которые называются галь­ваническими элементами.

Гальванический элемент представляет собой замкнутую электрохимическую систему, состоящую из двух электродов.

Рассмотрим гальванический элемент Якоби-Даниэля. Он со­стоит из медной пластины, погруженной в раствор CuSC₄, и цинковой пластины, погруженной в раствор ZnSC₄.  Для предот­вращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой.

Схема гальванического элемента:

Zn | ZnSO₄| |  CuSO₄| Cu,

Zn |  Zn²⁺ | |  Cu²⁺ | Cu.

На поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Zn-2e « Zn²⁺.

Рекомендуемые материалы

В результате протекания этого процесса возникает элек­тродный потенциал цинка.

На поверхности медной пластины также возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Сu²⁺ + 2е « Сu, поэтому возникает электродный потенциал меди.

Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, поэтому при замы­кании внешней цепи, т. е. при соединении цинка с медью метал лическим проводником, электроны будут переходить от цинка к меди.

Таким образом, при замыкании внешней цепи возникают самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и выделения меди на медном электроде. Данные про­цессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются по­тенциалы электродов или не растворится весь цинк (или не вы­садится на медном электроде вся медь).

Итак, при работе элемента Якоби-Даниэля протекают сле­дующие процессы:

1)         реакция окисления цинка: Zn - 2е ® Zn^2+.

Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых идут процессы окисления, называют анодами;

2)         реакция восстановления ионов меди: Сu²⁺ + 2е « Сu.

Процессы восстановления в электрохимии получили назва­ние катодных процессов, а электроды, на которых идут процес­сы восстановления, называют катодами;

движение электронов во внешней цепи;

движение ионов в растворе: анионов (SO₄^-2) к аноду, ка­тионов (Cu²⁺, Zn²⁺) к катоду. Движение ионов в растворе замы­кает электрическую цепь гальванического элемента. Суммируя электродные реакции, получаем:

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Сu.

Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т. е. образуется замкнутая электрическая система и в ней возникает электрический ток. Суммарная хими­ческая реакция, протекающая в гальваническом элементе, назы­вается токообразующей.

Электрический ток, возникающий в данной электрохимиче­ской системе, численно характеризуется величиной электро­движущей силы (ЭДС) элемента. Она равна разности электрод­ных потенциалов катода и анода:

                                                                                     (7.3)

В стандартных условиях самопроизвольное протекание хи­мической реакции возможно, когда максимальная полезная ра­бота, совершаемая в результате данной реакции, равна отрица­тельной величине изменения свободной энергии:

А =-DG⁰                                                                                            (7.4)

В гальваническом элементе совершаемая максимальная электрическая работа в стандартных условиях равна ЭДС эле­мента, умноженной на количество электричества (nF), т. е.

А = nFE⁰,                                                                                          (7.5)

где n - число электронов, участвующих в реакции;

F- постоянная Фарадея, равная 96500 Кл/моль;

E⁰ - стандартная ЭДС гальванического элемента (T= 298 К, молярная концентрация электролитов равна 1 моль/дм³). Таким образом, максимальная работа гальванического эле­мента равна:

А =-DG⁰= nFE⁰.                                                                                (7.6)

Стандартная ЭДС гальванического элемента равна:

                                                                                   (7.7)

Гальванические элементы в зависимости от природы элек­тродов и концентрации электролитов разделяют на химические и концентрационные.

Химические гальванические элементы - это такие элементы, где электроды и электролиты различны. Примером химического гальванического элемента является элемент Якоби-Даниэля.

Концентрационные гальванические элементы - это такие элементы, которые состоят из одинаковых электродов, но кон­центрации электролитов различны, например, серебряные элек­троды, погруженные в растворы нитрата серебра разной концен­трации:

Ag | AgNO₃ (0,01 моль/дм3) | | AgNO₃ (0,1 моль/дм³) | Ag.

Пример 1. Гальванический элемент состоит из металлического цинка, погруженного в раствор нитрата цинка с молярной концентра­цией 0,1 моль/дм³, и металлического свинца, погруженного в раствор нитрата свинца с молярной концентрацией 0,02 моль/дм³ Вычислите ЭДС элемента, напишите уравнения электродных процессов, составьте схему элемента.

Решение. Чтобы определить ЭДС элемента, необходимо вычис­лить электродные потенциалы по уравнению Нернста (7.2):

Находим ЭДС элемента по формуле (7.3):

Поскольку , то на свинцовом электроде будет происходить восстановление, т. е. он будет служить катодом:

Рb²⁺ + 2e = Рb.

36. Оценка результатов труда и вознаграждение в организационном поведении - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

На цинковом электроде будет протекать процесс окисления:

Zn = Zn²⁺ + 2e,

 т. е. этот электрод будет анодом.

Схема рассматриваемого гальванического элемента имеет сле­дующий вид:

А (-) Zn | Zn(NO₃)₂ | |  Pb(NO₃)₂ | Pb (+) К.

Ответ: 0,61 В.