Гальванический элемент Даниэля-Якоби

Рассмотрим принцип работы и окислительно-восстановительные реакции на примере медно-цинкового гальванического элемента (Даниэля-Якоби) (рис. 1).

Цинк, имеющий отрицательный электродный потенциал, выс­тупает в качестве анода и будет окисляться:

Zn^o - 2е^- → Zn²⁺.

На медном катоде будут восстанавливаться ионы меди

Cu ²⁺ + 2e^- → Cu^o.

Суммарное уравнение реакции выглядит так:

Zn^o + Cu ²⁺ → Zn²⁺ + Cu^o.

Схема гальванического элемента:

(-) Zn | Zn SO₄ | | Cu SO₄ | Cu (+). За счет окислительно-восстановительной реакции во внешней цепи течет электрический ток, который можно зафиксировать прибором, а по внутренней цепи движутся ионы SO₄ ^2- ,тем самым создается ионное равновесие в растворе. Гальванический элемент работает, пока не растворится весь анод или пока электродные потенциалы анода и катода не примут одинаковые значения.

Рис.1.Схема медно-цинкового гальванического элемента

По значениям стандартных электродных потенциалов или алгебраической суммы окислительно-восстановительных потен­циалов частных реакций определяется ЭДС элемента:

ЭДС = 0,34 - (- 0,76) = 1,1 В.

При изменении стандартных условий расчет ведется с использованием уравнения Нернста.

Гальванический элемент, в котором электродвижущая сила (ЭДС) возникает за счет различной концентрации растворов электролитов, в которые погружены одинаковые металлические электроды, называется концентрационным гальваническим элементом. Элект­род, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, яв­ляется анодом, а с большей – катодом.

(-) Мg | Mg²⁺ (С₁) || Mg²⁺ (С₂) | Mg (+) С₁  С₂.

Концентрационный гальванический элемент работает до тех пор, пока не сравняются концентрации растворов.

При работе элемента его ЭДС постепенно уменьшается вследст­вие смещения потенциалов электродов от равновесного состоя­ния. Это явление получило название поляризации.

Лабораторная работа № 3 изготовление гальванических элементов

Опыт 1. Изготовление медно-цинкового элемента.

Одну пробирку заполните доверху 1 М раствором сульфата цинка, другую – 1 М раствором сульфата меди. Пробирки соеди­ните электролитным мостиком, заполненным насыщенным раство­ром хлорида калия в смеси с агар-агаром. Опустите в раствор сульфата цинка ZnSO₄ цинковую пластинку, а в раствор сульфата меди CuSO₄ – медную (плас­тинки предварительно очистите наждачной бумагой). Пластинки соедините электрическим проводом с гальванометром. Наблюдайте отклонение стрелки гальванометра, указывающее на возникнове­ние электрического тока.

Составьте схему гальванического элемента. Напишите урав­нения химических реакций, протекающих на электродах гальвани­ческого элемента, и суммарное уравнение химической реакции, в результате которой возникает электрический ток в данном элементе.

Используя числовые значения стандартных электродных по­тенциалов цинка и меди, вычислите ЭДС медно-цинкового гальва­нического элемента.

В каком направлении перемещаются электроны во внешней цепи? Какие ионы и в каком направлении перемещаются в раст­воре?

Опыт 2. Изготовление концентрационного гальванического элемента.

Заполните две пробирки растворами сульфата меди раз­ной концентрации: первую – 2 M раствором CuSО₄, вторую – 0,02 M раствором CuSO₄. Соедините пробирки электролитным мостиком. Опустите в каж­дую пробирку медные пластинки и соедините их проводками с гальванометром.

Составьте схему концентрационного гальванического эле­мента. Напишите уравнения химических процессов, протекающих на электродах.

Используя значение стандартного потенциала медного электрода и уравнение Нернста, вычислите электродный потен­циал катода и анода, а также ЭДС концентрационного гальва­нического элемента.