8 Гальванические элементы

Гальванический элемент – это устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительных реакций непосредственно преобразуется в электрическую. При этом процессы окисления и восстановления пространственно разделены, а перенос электронов осуществляется через внешнюю цепь.

Окислительно-восстановительные реакции протекают на электродах системах, состоящих из металлов, погруженных в раствор или расплав электролита. Между металлической фазой электрода и раствором в приэлектродном пространстве происходит непрерывный обмен ионами, молекулами и электронами. В результате перераспределения зарядов на границе металлраствор возникает двойной электрический слой, характеризуемый скачком потенциала.

Разность потенциалов между металлом и раствором называется электродным потенциалом. Состоянию электродного равновесия соответствует равновесный электродный потенциал. Все факторы, влияющие на химическое равновесие (природа металла, растворителя, концентрация, температура), определяют и величину электродного потенциала.

Стандартным электродным потенциалом (⁰) называют потенциал металла, погруженного в раствор своей соли с концентрацией ионов 1 моль/л при температуре 298 К и давлении Р = 1,01325·10⁵ Па. Ряд стандартных потенциалов (табл. 6) позволяет дать количественную характеристику электрохимической активности металлов. Чем меньше значение ⁰, тем больше восстановительные свойства металла.

Для вычисления значения электродного потенциала в условиях, отличных от стандартных, пользуются уравнением Нернста:

 = ⁰ + (29)

где Т  температура, К;

F – число Фарадея, равное 96500 Кл/моль;

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль·К;

n – число электронов, принимающих участие в процессе;

–концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

_{Формулу Нернста можно упростить, приняв значение Т=298 К:}

 = ⁰+. (30)

Если два электрода соединить проводником, а растворы электрическим ключом, то образуется гальванический элемент (рис. 2).

Анодом является металл с меньшим электродным потенциалом (_А<_k), и на нем происходит процесс окисления:

А Me_A – m= Me (31)

При этом растворяется металлический электрод.

На катоде происходит процесс восстановления катионов электролита (если _ме > -1,4 B):

KMe+n= Me (32)

Если  _ме< -1,4 B, то на катоде восстанавливается вода:

K 2H₂O + 2= H₂ + 2OH^ (33)

Символическая запись (схема) гальванического элемента имеет вид:

А К , если _А _К.

Таблица 5

Стандартные электродные потенциалы 0некоторых металлов

Электрод	^0, В	Электрод	^0, В
Li^+/Li	3,05	Cd^2+/Cd	0,40
Rb^+/Rb	2,93	Co^2+/Co	0,28
K^+/K	2,92	Ni^2+/Ni	0,25
Ba^2+/Ba	2,90	Sn^2+/Sn	0,136
Ca^2+/Ca	2,87	Pb^2+/Pb	0,127
Na^+/Na	2,71	2H^+/H2	0,00
Mg^2+/Mg	2,37	Sb^3+/Sb	+0,20
Al^3+/Al	1,70	Bi^3+/Bi	+0,22
Ti^2+/Ti	1,60	Cu^2+/Cu	+0,34
V^2+/V	1,18	Ag^+/Ag	+0,80
Mn^2+/Mn	1,18	Hg^2+/Hg	+0,85
Zn^2+/Zn	0,76	Pt^2+/Pt	+1,19
Cr^3+/Cr	0,74	Au^3+/Au	+1,50
Fe^2+/Fe	0,44

ē

Граница раздела металлраствор обозначается одной чертой, а граница раздела между двумя растворами – двумя чертами. Слева обычно записывается анодный электрод. Принцип работы гальванического элемента показан ниже:

V

A

K

А^¯

Меⁿ⁺

Меⁿ⁺

Меⁿ⁺

Меⁿ⁺⁺