Поскольку цепь замкнута, избыточные электроны будут перетекать на медную пластину и т. д. До тех пор, пока цепь будет замкнута, цинковая пластина будет растворяться, на медной будет осаждаться металлическая медь. Равновесие на электродах не установится, в цепи будет протекать ток. Просуммируем процессы, протекающие на электродах в замкнутом гальваническом элементе:

или

Суммарная электрохимическая реакция называется токообразующей. Рассмотренный гальванический элемент называется элементом Даниэля - Якоби. В прошлом веке он широко использовался в качестве источника постоянного тока. Сокращенное обозначение элемента Даниэля-Якоби: А (-) // (+) К

Подобным образом обозначают любые гальванические элементы. При этом следует помнить, что слева принято указывать электрод с более отрицательным потенциалом.

Гальванический элемент – это система, в которой происходит самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция ( < 0), энергия которой превращается в электрическую энергию.

Гальванический элемент является химическим источником электрического тока.

Основной характеристикой гальванического элемента является его электродвижущая сила (ЭДС) или , которая представляет собой разность электродных потенциалов в исходный момент работы элемента. ЭДС всегда является величиной положительной.

Чтобы рассчитать величину ЭДС, необходимо вычесть из более положительного электродного потенциала величину более отрицательного потенциала. В нашем примере при концентрации ионов цинка и меди в растворах равных 1 моль/л:

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Гальванический элемент может быть составлен не только из электродов, состоящих из разных металлов, но и из электродов одного металла, погруженных в растворы одного и того же электролита, но с различной концентрацией ионов. Такой гальванический элемент называется концентрационным. Поскольку ЭДС обусловлена только разностью концентраций ионов металла в растворах.

Составим гальванический элемент из двух серебряных пластинок, погруженных в растворы нитрата серебра разных концентраций и .

А (-)//// (+) К

<

ЭДС такого элемента может быть определена по формуле:

При работе этого элемента протекают следующие процессы:

А (-)окисление

К (+)восстановление

Таким образом, концентрация первого раствора будет постепенно увеличиваться, а второго раствора уменьшаться, следовательно ЭДС будет уменьшаться. Через некоторое время концентрации и станут одинаковыми, а ЭДС - равной нулю.

Пример 1. Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем кобальта (табл. 6). Изменится ли это соотношение, если измерить потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,1 моль/л?

Решение: Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:

где - стандартный электродный потенциал; n – число электронов, принимающих участие в процессе; С – концентрация (при точных вычислениях – активность) гидратированных ионов металла в растворе, моль/n; для никеля и кобальта соответственно равны - 0,25 и - 0,277 В. Определим электродные потенциалы этих металлов при данных в условии концентрациях:

Таким образом, при изменившейся концентрации потенциал кобальта стал больше потенциала никеля.

Пример 2. Магниевую пластинку опустили в раствор его соли. При этом электродный потенциал магния оказался равен -2,41 В. Вычислите концентрацию ионов магния (в моль/л).

Решение: Подобные задачи так же решаются на основании уравнения Нернста (см. пример 1):

Пример 3. Составьте схему гальванического элемента, в котором электродами являются магниевая и цинковая пластинки, опущенные в растворы их ионов с активной концентрацией 1 моль/л. Какой металл является анодом, какой катодом? Напишите уравнение Окислительно-восстановительной реакции, протекающий в этом гальваническом элементе, и вычислите его ЭДС.

Решение: Схема данного гальванического элемента

(-)// (+)

Наклонная линия обозначает поверхность между металлом и раствором, а две наклонные линии – границу раздела двух жидких фаз – пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (-2,37 B) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Цинк, потенциал которого (– 0,763 В) - катод, т. е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода. Так как концентрация ионов в растворе равна 1 моль/л, то ЭДС элемента равна разности стандартных потенциалов двух его электродов:

Контрольные вопросы

201. Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых медь служила бы катодом, а в другом – анодом. Написать уравнения реакций, происходящих при работе этих элементов, и вычислить значения стандартных ЭДС.

202. Кобальтовая и медная пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор соляной кислоты. Составьте схему данного гальванического элемента и напишите электронные уравнения процессов происходящих на аноде и катоде.

203. При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из медных электродов, опущенных: первый в 0,1 М, а второй 1 М растворы сульфата меди.

204. В каком направлении будут перемещаться электроны во внешней цепи следующих гальванических элементов: а) //; б) //; в) //, если все растворы электролитов одномолярные? Какой металл будет растворяться в каждом из этих случаев?

205. При какой концентрации ионов (моль/л) значения потенциала серебряного электрода становятся равными стандартному потенциалу водородного электрода?

206. Гальванический элемент состоит из серебряного электрода, погруженного в 1 М , и стандартного водородного электрода. Написать уравнения электродных процессов и суммарной реакции, происходящей при работе элемента. Чему равна его ЭДС?

207. Увеличится, уменьшится или останется без изменений масса кобальтовой пластинки при взаимодействии её с растворами: а) , б) , в) ? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

208. ЭДС гальванического элемента, состоящего из стандартного водородного электрода и свинцового электрода, погруженного в 1 М раствор соли свинца, равна 0,126 В. При замыкании элемента электроны во внешней цепи перемещаются от свинцового к водородному электроду. Чему равен потенциал свинцового электрода? Составить схему элемента. Какие процессы протекают на его электродах?

209. Гальванический элемент составлен из стандартного цинкового электрода и железного электрода, погруженного в раствор, содержащий ионы . При какой концентрации ионов ЭДС этого элемента будет равна нулю?

210. Рассчитать электродные потенциалы магния в растворе его соли при концентрациях иона 0,1; 0,01 и 0,001 моль/л.

211. Кадмиевая и никелевая пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор серной кислоты. Составьте схему данного гальванического элемента и напишите электронные уравнения процессов происходящих на аноде и катоде.

212. Увеличится, уменьшится или останется без изменений масса цинковой пластинки при взаимодействии её с растворами: а) ; б) ; в) ? Почему? Составьте электронные и молекулярные уравнения соответствующих реакций.

213. ЭДС элемента состоящего из медного и свинцового электродов, погруженных в 1 М растворы солей этих металлов, равна 0,47 В. Изменится ли ЭДС если взять 0,01 М растворы? Ответ обосновать.

214. Гальванический элемент составлен из стандартного цинкового электрода и хромового электрода, погруженного в раствор, содержащий ионы . При какой концентрации ионов ЭДС этого элемента будет равна нулю?

215. Потенциал cеребряного электрода составляет 80 % от значения его стандартного электродного потенциала. Чему равна концентрация ионов (в моль/ л)?

216. Какие процессы происходят на электродах гальванического элемента (0,1 M)//(0,001 M)/? В каком направлении перемещаются электроны во внешней цепи?

217. Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых свинец служил бы катодом, а в другом – анодом. Написать уравнения реакций, происходящих при работе этих элементов, и вычислить значения стандартных ЭДС.

218. Железная и никелевая пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор серной кислоты. Составьте схему данного гальванического элемента и напишите электронные уравнения процессов происходящих на аноде и катоде.

219. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению:

Напишите электронные уравнения анодного и катодного процессов. Вычислите ЭДС этого элемента, если [] = 0,1 моль/л, [] = 0,0001 моль/л

220. При какой концентрации ионов ( в моль/л) потенциал кадмиевого электрода будет на 0,02 В меньше его стандартного электродного потенциала?

2.3. Коррозия металлов

Для ответов на контрольные вопросы рекомендуем воспользоваться литературой 5, 6, 7 и таблицей 6.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27