Лабораторная работа № 7

Электрохимическая активность металлов и гальванический

Элемент

Введение

Из 105 элементов периодической системы более восьмидесяти отно­сятся к металлам. Переоценить значение металлов для человека невозмож­но. Одним из основных наиболее важных свойств металлов является способ­ность их атомов окисляться, а катионов металлов – восстанавливаться (электрохимическая активность). Электрохимические процессы, связанные с окислительно-восстановительными реакциями металлов, происходят при электролизе, коррозии и в гальванических элементах.

Одной из важнейших народно-хозяйственных задач является получение электрической энергии. Широко распространенным способом решения этой задачи является способ превращения химической энергии, освобож­дающейся в результате реакции, в электрическую энергию. Этот процесс осуществляется в простейших источниках электрического тока – гальвани­ческих элементах, а также других химических источниках тока и аккумуляторах. Для будущих инженеров и технологов необходимо иметь представле­ние о том, какие процессы возникают на границе «металл-раствор» или «ме­талл-расплав электролита», как устроен и работает гальванический элемент. Эти знания необходимы студенту, чтобы дальше можно было понять другие электрохимические процессы – коррозию металлов и электролиз.

Для того чтобы успешно освоить материал данной темы, студент дол­жен знать:

1. кристаллическое строение металлов и металлическую связь;

2. химическое равновесие;

3. свойства растворов электролитов;

4. окислительно-восстановительные реакции.

1. Цель и задачи

В процессе изучения теоретического материала и в ходе выполнения эксперимента студент должен:

а) научиться рассчитывать величину электродного потенциала по уравнению Нернста;

б) по величине электродного потенциала научиться оценивать восстановительные свойства атомов металлов и окислительные свойства катионов металлов;

в) опытным путем установить восстановительную активность предложенных металлов;

г) ознакомиться с устройством и работой гальванического элемента;

д) научиться составлять гальванические элементы и в зависимости от электродных потенциалов определять химические процессы, протекающие на электродах;

е) научиться рассчитывать электродвижущую силу гальванических элементов.

2. Теоретическая часть

2.1. Электродный потенциал. Химическая активность металлов

К металлам относятся химические элементы, в атомах которых на внешнем энергетическом уровне находится от одного до трех электронов.

Поэтому основное химическое свойство атомов металлов – это их способность сравнительно легко отдавать свои валентные электроны (окисляться) и превращаться в положительно заряженные ионы. То есть атомы металлов являются восстановителями. Способность окисляться у различных металлов проявляется в разной степени Способность атомов металла окисляться, а его катионов восстанавливаться оценивается величиной стандартного электродного потенциала (Е⁰).

Рассмотрим возникновение электродного потенциала на металлическом электроде.

В твердом состоянии металлы являются кристаллическими веществами. В узлах кристаллической решетки располагаются катионы металла, а между ними перемещаются обобществленные электроны. При помещении металлической пластины (электрода) в воду между катионами металла, на­ходящимися на поверхности электрода, и полярными молекулами воды про­исходит взаимодействие. В результате этого взаимодействия часть катионов металла переходит с поверхности электрода в раствор в виде гидратированных ионов. В электроде остается избыток электронов, и электрод заряжает­ся отрицательно. Ушедшие в раствор катионы металла находятся вблизи электрода. Таким образом, на границе раздела «электрод – прилежащий раствор» возникает двойной электрический слой. Часть катионов металла из раствора снова возвращается на поверхность электрода. Со временем в двойном электрическом слое устанавливается равновесие:

катионы металла в твердой фазе катионы металла в растворе.

В двойном электрическом слое происходит определенный скачок потенциала, который называется электродным потенциалом. При погружении электрода в раствор электролита, содержащего катионы металла, из которо­го сделан электрод, могут происходить два процесса: один такой же, как и при погружении электрода в воду, при этом электрод заряжается отрица­тельно; другой процесс – обратный первому. Катионы металла, находящиеся в растворе, переходят на поверхность электрода, достраивают его кристаллическую решетку, электрод при этом заряжается положительно. За счет сил электростатического притяжения возле электрода в прилежащем слое жидкости собираются анионы электролита. Образуется двойной электрический слой. Потенциал такого двойного электрического слоя будет иметь положительное значение.¹

Какой из этих двух процессов будет проходить на электроде при погружении его в раствор электролита, это зависит от природы электрода, кон­центрации катионов металла в растворе электролита температуры.

Абсолютную величину электродного потенциала определить нельзя. Потенциал электрода измеряют по отношению к стандартному водородному электроду, потенциал которого при 298°К (25°С) условно принят равным нулю. Потенциал электрода, помещенного в раствор электролита с концентрацией его катионов, равной I моль/л, измеренный относительно стандартного водородного электрода при стандартных условиях называется стандартным электродным потенциалом (Е⁰). Стандартные электродные потенциалы для всех металлов являются справочными величинами.

При изменении концентрации электролита, температуры величина электродного потенциала будет изменяться.

Зависимость величины электродного потенциала (Е) от природы ме­талла, концентрации катионов металла в растворе, температуры выражается уравнением Нернста:

.

где Е⁰ - стандартный электродный потенциал;

С - концентрация катионов металла в растворе; в концентриро­ванных растворах она заменяется на активность ионов а;

R - универсальная газовая постоянная;

F - число Фарадея;

n - заряд катиона металла.

Подставив в уравнение Нернста значения постоянных величин R, F и Т=298°, а также заменив lnC = 2,3^.lgC, получаем:

.

Уравнение Нернста позволяет рассчитать значение электродного потенциала при концентрациях электролита, отличающихся oт С = 1 моль/л.

Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов, получаем ряд стандартных электродных потенциалов (ряд напряжений). Чем меньше значение стандартного электродного потенциала металла, тем легче атомы этого металла окисляются, а его катионы труднее восстанавливаются. Таким образом, металл, имеющий меньшее значение стандартного электродного потенциала, будет более сильным восста­новителем, чем металл, у которого стандартный электродный потенциал больше. Металл с меньшим стандартным электродным потенциалом спосо­бен восстановить из раствора катионы всех тех металлов, у которых потен­циал больше.