10. Гальванические элементы

Типовая задача

Рассчитать ЭДС гальванического элемента состоящего из электродов: а) Zn/ZnSO₄ (0,1М) и Ni/NiSO₄ (0,01M);

б) Ag/AgNO₃ (1M) и Ag/AgNO₃ (0,1M). Составить схемы гальванических элементов, описать процессы, протекающие на катоде и аноде.

Решение. а) Рассматриваемый гальванический элемент является химическим, т.е. разница потенциалов достигается за счет разной химической природы электродов. ЭДС гальванического элемента определяется разницей потенциалов катода и анода. Пользуясь значениями таблицы П.2, в приложении находим значения стандартных потенциалов цинкового и никелевого электродов:

φ⁰(Zn²⁺/Zn⁰) = -0,76 В

φ⁰(Ni²⁺/Ni⁰) = - 0,25 В

Рассчитываем реальные потенциалы рассматриваемых электродов при указанных в условии задачи концентрациях, используя уравнение Нернста:

, где

n – количество электронов, участвующих в электродной полуреакции;

[Zn²⁺] и [Ni²⁺] – концентрации катионов цинка и никеля в растворе, составляющем электрод.

Рассчитав потенциалы электродов, составляющих гальванический элемент, можем сделать вывод, что цинковый электрод в данном элементе является анодом, а никелевый – катодом, т.к. φNi²⁺/Ni⁰ > φZn²⁺/Zn⁰

Записываем уравнения процессов, протекающих на катоде и аноде:

на никелевом электроде будет происходить восстановление

(+) К: Ni²⁺ + 2е^- = Ni⁰

на цинковом электроде – окисление

(-) А: Zn⁰ = Zn²⁺+ 2е^-

Токообразующая реакция:

Ni²⁺ + Zn⁰ = Ni⁰ + Zn²⁺

Рассчитываем ЭДС:

ε = φ_к - φ_а = φNi²⁺/Ni⁰ - φZn²⁺/Zn⁰ = -0,31 – (-0,79) = 0,48 В

Составляем схему гальванического элемента:

(-) Zn | ZnSO₄ (0,1М) || NiSO₄ (0,01M) | Ni (+)

б) Рассматриваемый гальванический элемент является концентрационным, т.е. разница потенциалов достигается за счет разницы концентраций растворов соли в составе электродов.

ЭДС рассчитывается аналогично ЭДС химического гальванического элемента.

Пользуясь таблицей П.2, находим значение стандартного потенциала серебряного электрода:

φ⁰Ag⁺/Ag⁰ = 0,80 В

Используя уравнение Нернста, определяем потенциалы электродов при заданных концентрациях. Обозначим потенциал электрода Ag/AgNO₃ (1M) – φ₁, а электрода Ag/AgNO₃ (0,1M) – φ₂.

Потенциал φ₁ будет равен стандартному потенциалу серебряного электрода, т.к. [Ag⁺] = 1 моль/л

φ₁ = 0,80 В

Для второго электрода потенциал рассчитываем, используя уравнение Нернста:

Электрод Ag/AgNO₃ (1M) в данном элементе является катодом, Ag/AgNO₃(0,1M) –анодом, т.к. φ₁ > φ₂

На первом электроде будет происходить восстановление:

(+) К: Ag⁺ + е^- = Ag⁰

на втором – окисление:

(-) А: Ag⁰ = Ag⁺ + е^-

Рассчитываем ЭДС гальванического элемента

ε = φ_к - φ_а = φ₁ - φ₂= 0,80 - 0,74 = 0,06 В

и составляем его схему

(-) Ag | AgNO₃ (0,1M) || AgNO₃ (1M) | Ag (+)

Варианты заданий

Таблица 10

№ п/п	1-ая пара электродов	2-ая пара электродов
1	2	3
	Sn | SnCl2 (0,1M); Cr | CrCl3 (1M)	Co | CoSO4 (0,1M); Co | CoSO4 (0,01M);
	Ni | NiSO4 (1M); Co | CoSO4 (0,01M)	Сu | CuCl2 (0,001M); Сu | CuCl2 (0,1M);
	Сu | CuCl2 (0,1M); Zn | ZnCl2 (1M)	Cr | CrCl3 (1M); Cr | CrCl3 (0,1M)
	Cr | CrCl3 (0,01M); Pb | PbCl2 (1M)	Fe | FeCl2 (1M); Fe| FeCl2 (0,1M)
	Cd | CdSO4 (0,1M); Bi | Bi2(SO4 )3(0,1M)	Au | Au(NO3)3 (0,1M); Au | Au(NO3)3 (1M);
	Ag | AgNO3 (0,1M); Hg | Hg(NO3)2 (1M)	Ni | NiCl2 (0,01M); Ni | NiCl2 (0,1M);
	Fe | FeSO4 (0,1M); Zn | Zn SO4 (0,01M)	Pb | Pb (NO3)2 (0,1M); Pb | Pb (NO3)2 (1M)
	Cr | CrCl3 (0,1M); Fe| FeCl2 (1M)	Sn | Sn(NO3)2 (0,01M); Sn | Sn(NO3)2 (0,1M)
	Mg | Mg(NO3)2 (0,01M); Zn | Zn(NO3)2 (1M)	Hg | Hg(NO3)2 (0,1M); Hg | Hg(NO3)2 (1M)
	Ni | NiCl2 (0,1M); Zn | ZnCl2 (0,1M)	Mg | MgCl2 (0,1M); Mg | MgCl2 (0,01M)
	Au | Au(NO3)3 (0,1M); Zn | Zn(NO3)2 (1M)	Ag | AgNO3 (0,1M); Ag | AgNO3 (0,01M);
	Cr | CrCl3 (0,01M); Zn | ZnCl2 (0,1M)	Cd | CdSO4 (1M); Cd | CdSO4 (0,1M);
	Ni | Ni(NO3)2 (1M); Cu | Cu(NO3)2 (0,1M)	Zn | ZnCl2 (0,1M); Zn | ZnCl2 (0,001M)
	Cr | CrCl3 (0,001M); Ni | NiCl2 (1M)	Zn | Zn(NO3)2 (0,1M); Zn | Zn(NO3)2 (1M)
	Ag | AgNO3 (0,1M); Ni | Ni(NO3)2 (0,01M)	Mg | Mg(NO3)2 (1M); Mg | Mg(NO3)2 (0,1M);
	Au | Au(NO3)3 (0,01M); Ag | Ag NO3 (1M)	Sn | SnCl2 (0,001M); Sn | SnCl2 (0,1M);
	Ni | NiCl2 (0,1M); Fe | FeCl2 (1M)	Pb | PbCl2 (0,1M); Pb | PbCl2 (0,01M)
	Fe | Fe(NO3)2 (1M); Ag| AgNO3 (0,01M)	Zn | Zn SO4 (0,01M); Zn | Zn SO4 (0,1M)
	Fe | FeCl3 (0,1M); Co | CoCl2 (1M)	Ni | Ni(NO3)2 (1M); Ni | Ni(NO3)2 (0,1M);
	Cr | CrCl3 (0,1M); Fe| FeCl2 (1M)	Cu | Cu(NO3)2 (1M); Cu | Cu(NO3)2 (0,1M)
	Fe | Fe(NO3)2 (0,1M); Zn | Zn(NO3)2 (0,1M)	Ni | NiCl2 (0,1M); Ni | NiCl2 (0,001M);
	Cu | CuCl2 (1M); Fe| FeCl2 (0,01M)	Pb | Pb (NO3)2 (0,01M); Pb | Pb (NO3)2 (1M)
	Fe | Fe(NO3)2 (0,01M); Cd| Cd (NO3)2 (1M)	Hg | Hg(NO3)2 (0,1M); Hg | Hg(NO3)2 (1M)
	Cu | Cu(NO3)2 (0,1M); Ag | Ag NO3 (1M)	Fe | FeCl3 (0,1M); Fe | FeCl3 (0,001M);
	Cu | Cu(NO3)2 (1M); Hg | Hg(NO3)2 (0,1M)	Fe | Fe(NO3)2 (1M); Fe | Fe(NO3)2 (0,01M);
	Au | Au(NO3)3 (0,1M); Cu | Cu(NO3)2 (1M)	Fe | FeSO4 (1M); Fe | FeSO4 (0,001M);
	Mg | MgCl2 (0,01M); Fe | FeCl2 (0,1M)	Cd | CdSO4 (0,01M); Cd | CdSO4 (0,1M);
	Pb | PbCl2 (0,1M); Mg | MgCl2 (0,01M)	Ag | AgNO3 (0,1M); Ag | AgNO3 (0,01M);
	Mg | Mg(NO3)2 (0,1M); Sn | Sn(NO3)2 (1M)	Cr | CrCl3 (0,001M); Cr | CrCl3 (0,1M)
	Ni | Ni(NO3)2 (0,1M); Pb | Pb (NO3)2 (1M)	Co | CoSO4 (0,01M); Co | CoSO4 (0,001M);