Тема: гальванічні процеси.

Кристалічна решітка металу складається з іонів цього металу та вільних електронів. Якщо покласти метал у вакуум, електрони почнуть виходити з кристалічної решітки. В результаті вакуум біля поверхні металу заряджається негативно, а метал від надлишку іонів – позитивно при цьому на межі метал-вакуум утворюється подвійний електронний шар або стрибок потенціалу.

1. Якщо занурити металічну пластинку у воду, вона починає розчинятися, посилаючи свої гідратовані іони у розчин. Внаслідок цього найближче коло розчину заряджається позитивно. І в цьому випадку також утворюється стрибок потенціалу.

Різниця електростатичних потенціалів на межі „метал-розчин” називається електродним потенціалом.

2. При зануренні металічної пластинки у розчин своєї солі з концентрацією іонів металу в цій солі такий, яку пластинка надавала б при розчиненні, тобто в момент занурення з металу буде виходить стільки ж іонів, скільки і повертатися. В цьому випадку потенціал металу буде дорівнювати нулю.

Електродний потенціал, який відповідає стану рівноваги, при якому швидкість перебігу іонів у розчин дорівнює швидкості зворотного їх осадження, називається рівноважним потенціалом.

3. Якщо занурити металічну пластинку у насичений розчин своєї солі, то при цьому іони металу з розчину будуть “осаджуватися” на пластинку, заряджую її позитивно, а надлишок кислотного залишку зарядить розчин негативно. На межі „метал-розчин” утворюється різниця потенціалів або електродний потенціал.

Величина електродного потенціалу залежить від активності металу, концентрації його іонів у розчині та температури.

Якщо метал занурений у розчин, концентрації якого більш або менш 1г-іон/л, тоді обчислення потенціалу електрода проводиться за формулою Нернста:

,

де Е₀ – стандартний електродний потенціал метала;

n – валентність іонів метала у розчині;

С – концентрація іонів металу в розчині (в г-іон/л).

А бсолютні значення потенціалів металів виміряти не вдається, тому вимірюють їх відносно водневого електроду (див. рис.).

Водневий електрод складається з платинової пластини, яка вкрита губчастою платиною. Електрод занурюють у розчин сірчаної кислоти, з концентрацією йонів гідрогену 1 г-йон/л. знизу електрод омивається потоком газоподібного гідрогену під тиском 1 ат. Величину потенціалу такого електроду приймають за нуль.

Різниця потенціалів між металом зануреним у розчин своєї солі з концентрацією йонів металу 1 г-йон/л і водневим електродом, називається стандартним або нормальним електродним потенціалом металу.

При розташуванні металів в ряд за алгебраїчною величиною їх нормальних електродних потенціалів, отримали так званий “ електрохімічний ряд напруг металів”. Ряд напруг металів дає можливість зробити дуже важливі висновки:

-чим менша алгебраїчна величина стандартного електродного потенціалу, тим більша його хімічна активність;

-метали, які мають негативну величину стандартного електродного потенціалу, можуть видаляти гідроген з кислот;

-метал з меншою величиною стандартного електродного потенціалу здатний витискати з розчину солей метал з більшою алгебраїчною величиною стандартного електродного потенціалу;

-у гальванічному елементі анодом зветься більш активний метал, тобто стандартний електродний потенціал якого має меншу алгебраїчну величину.

Гальванічні елементи – це прилади, в яких хімічна енергія окисно-відновної реакції перетворюється в електричну.

Перший такий прилад був створено італійським фізіком-хіміком Вольта, потім вдосконалений російськими вченими Даніелем і Якобі. Їх гальванічний елемент складається з мідної та цинкової пластинок занурених у розчини своїх солей. Розчини розділені напівпроникною перетинкою. Якщо у зовнішній ланцюг увімкнути вольтметр, тоді можливо виміряти різницю електродних потенціалів або електрорушійну силу елемента.

ЕРС = Е⁰_окисл. – Е_{відновн.}

Схематично мідно-цинковий гальванічний елемент можна записати таким чином: (-) Zn / ZnSO₄ // CuSO₄ /Cu (+).

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 15

Складання мідно-цинкового гальванічного елементу

та визначення його ЕРС.

МЕТА РОБОТИ – ознайомитися з основними електрохімічними поняттями та процесами роботи гальванічних елементів, визначити електрорушійну силу гальванічного елементу.

Прилади та реактиви: Стаканчики, цинкова, мідна пластинки, войлочний місток, гальванометр. Розчини: сульфату купруму (1М), сульфату цинку (1М).

Хід роботи.

Один із стаканчиків заповнюють 1М розчином сульфату купруму, другий – 1М розчином сульфату цинку. Обидва стаканчики з’єднують за допомогою войлочного містка. Занурюють до розчину сульфату цинку вузьку цинкову пластину, а до сульфату купруму – мідну пластину. Пластини приєднують дротами до гальванометру. Спостерігати відхилення стрілки гальванометра, яке виникає в результаті виникнення електричного струму як наслідок різних значень нормальних електродних потенціалів електродів Zn²⁺/Zn Cu²⁺/Cu. Записати показання приладу.

Завдання. Складіть рівняння окислювально-відновних реакцій, які проходять на електродах. В якому напрямку переміщаються електрони у зовнішньому ланцюгу? Які іони і в якому напрямку переміщаються у розчині? Розрахуйте теоретичне значення ЕРС мідно-цинкового гальванічного елементу, порівняйте з експериментальним значенням.