Электродные потенциалы. Гальванические элементы

Если окислительно-восстановительную реакцию осуществить так, чтобы процессы окисления и восстановления были пространственно разделены, и создать возможность перехода электронов от восстановителя к окислителю по проводнику (внешней цепи), то во внешней цепи возникнет направленное перемещение электронов - электрический ток. При этом энергия химической окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию. Устройства, в которых происходит такое превращение, называются химическими источниками электрической энергии или гальваническими элементами.

Всякий гальванический элемент состоит из двух электродов - металлов, погруженных в растворы электролитов; последние сообщаются друг с другом - обычно через пористую перегородку. Электрод, на котором в ходе реакции происходит процесс окисления, называется анодом; электрод, на котором осуществляется восстановление, называется катодом.

При схематическом изображении гальванического элемента граница раздела между металлом и раствором обозначается вертикальной чертой, граница между растворами электролитов - двойной вертикальной чертой. Например, схема гальванического элемента, в основе работы которого лежит реакция:

Zn + 2AgNO₃ = Zn(NO₃)₂ + 2Ag

изображается следующим образом:

Zn⁰ | Zn(NO₃)₂ | | AgNO₃ | Ag⁰.

Эта же схема может быть изображена в ионной форме:

Zn⁰ | Zn²⁺ | | Ag⁺ | Ag⁰.

В данном случае металлические электроды непосредственно участвуют в происходящей реакции.

На аноде цинк окисляется

Zn⁰ - 2е = Zn²⁺

и в форме ионов переходит в раствор, а на катоде серебро восстанавливается

Ag⁺ + 1е = Ag⁰

и в виде металла осаждается на электроде. Складывая уравнения электродных процессов (с учетом числа принимаемых и отдаваемых электронов), получаем суммарное уравнение реакции:

Zn⁰ + 2Ag⁺ = Zn²⁺ + 2Ag⁰

В других случаях металл электрода не претерпевает изменений в ходе электронного процесса, а участвует лишь в передаче электронов от восстановленной формы вещества к его окисленной форме.

Так, в гальваническом элементе

Pt | Fe²⁺, Fe³⁺ | | MnO₄^-, Mn²⁺, H⁺ | Pt

роль инертных электронов играет платина. На платиновом аноде окисляется железо (II)

Fe²⁺ - 1е = Fe³⁺

а на платиновом катоде восстанавливается марганец (VII)

MnO₄^- + 8H⁺ + 5е = Mn²⁺ + 4H₂O.

Умножив первое из этих уравнений на пять и сложив со вторым, получаем суммарное уравнение протекающей реакции:

5Fe²⁺ + MnO₄^- + 8H⁺ = 5Fe³⁺ + Mn²⁺ + 4H₂O.

Максимальное напряжение гальванического элемента, отвечающее обратимому протеканию происходящей в нём реакции, называется электродвижущей силой Е (э.д.с.) элемента. Если реакция осуществляется в стандартных условиях (с = 1 моль/л, t = 25 ^oC, P = 1атм = 105Па = 760 мм.рт.ст.), то наблюдаемая при этом э.д.с. называется стандартной электродвижущей силой Е⁰ данного элемента.

Э.д.с. гальванического элемента может быть представлена как разность двух электродных потенциалов ϕ, каждый из которых отвечает полуреакции, протекающей на одном из электродов. Так, для рассмотренного выше серебряно – цинкового элемента э.д.с. выражается разностью

Е = ϕ(Zn²⁺ | Zn⁰) - ϕ(Ag⁺ | Ag⁰),

где ϕ(Zn²⁺ | Zn⁰) и ϕ(Ag⁺ | Ag⁰) – потенциалы, отвечающие электродным процессам, происходящим соответственно на серебряном и цинковом электродах. При вычислении электродвижущей силы меньший (в алгебраическом смысле) электродный потенциал вычитается из большего.

Поиск по сайту: