Електродні потенціали. Гальванічні елементи.

Устрій в якому енергія окисно-відновних реакцій перетворюється на електричну називається гальванічним елементом. При цьому окисно-відновну реакцію необхідно здійснити так, щоб процеси окиснення і відновлення було розділено у просторі і створити можливість перебігу електронів від відновника (анод) до окисника (катод) по зовнішньому провіднику.

Суттєвим для перетворення хімічної енергії на електричну є наявність двох різнорідних провідників з електронною провідністю, занурених у розчин з йонною провідністю (розчини електролітів); ці останні сполучаються між собою напівпроникною перетинкою, соляним або електрохімічним місточком, який необхідний для замикання ланцюжка між двома електродами та забезпечення електронейтральності розчинів. На аноді протікає процес окиснення , на катоді – відновлення .

На межі: метал - розчин (вода, розчин електроліту) виникає подвійний електричний шар і з’являється різниця електричних потенціалів, який заміряти неможливо. Однак можна заміряти різницю потенціалів двох хімічно різних електродів, прийнявши один з них за електрод порівняння, це – електродний потенціал порівняння . Звичайно, за електрод порівняння беруть водневий, нульовий електрод, занурений в розчин при , (стандартні умови), його електродний потенціал .

Різниця потенціалів стандартного водневого електрода та будь-якого електрода за стандартних умов називається стандартним електродним потенціалом (табличні дані). Значення усіх можливих процесів створюють ряд стандартних електродних потенціалів, де вказані (В) - редокс-потенціали розповсюджених окисно-відновних процесів (Додаток В). Якщо умови процесів відрізняються від стандар-тних, для визначення електродних потенціалів використовують рівняння Нернста:

- універсальна газова стала ;

- термодинамічна температура, ;

- заряд йону (кількість електронів);

- стала Фарадея ;

- активність йонів в розчині.

Різниця потенціалів, яка виникає між металом і розчином його солі () може служити мірою його активності. Чим більше від’ємне значення металу, тим він активніший, чим більша різниця в значеннях між електродами, що створюють гальванічний елемент, тим більша його електрорушійна сила:

Електроліз

Процес протікання окислювально-відновних реакцій під дією постійного електричного струму в розчинах або розплавах електролітів називається електролізом.

На катоді протікають процеси відновлення:

На аноді протікають процеси окиснення:

Для розповсюджених катіонів існує такий ряд розрядження на катоді:

 

Для розповсюджених аніонів – ряд розрядження на аноді:

легко розряджаються

важко розряджаються

Кількісною характеристикою електролізу є закони Фарадея (1833р): І · τ = m/М_екв·F, де

І – сила струму, А;

τ – час, с;

m – маса речовини, г;

М_екв – молярна маса еквівалента, г/моль;

F – стала фарадея.

ν_А/ν_В=Z_А/Z_В, де

ν_А,ν_В – кількість речовин А і В

Z_А/Z_В – еквівалентні числа речовин А і В

Практично маси (об’єми) речовин, виділених на електродах менші від розрахованих за законами Фарадея, внаслідок перенапруги, яка виникає з різних причин. Розраховують величину η – вихід за струмом

η= mпракт/mтеор ·100%

η= Vпракт/Vтеор ·100%

 

Найбільший вихід за струмом мають легко розряджу- вальні метали Cu, Ag, Au та ін.

 

Завдання для самостійного розв’язання

6.2.1. Відповісти на запитання.

1. Пояснити вираз: «окисно- відновні реакції можуть бути як джерелами, так і споживачами електричного струму».

2. Чому практичні значення ЕРС гальванічного елемента, маси (об’єми) речовин, що виділяються на електродах при електролізі, відрізняються від теоретично розрахованих?

3. Охарактеризувати практичне використання процесів, які протікають в гальванічних елементах,при електролізі.

 

6.2.2. Розв’язати задачі.

1. У дві склянки з блакитним розчином мідного купоросу помістили: до першої пробірки - цинкову пластинку, до другої - срібну. У якій склянці і чому колір розчину поступово зникає?

Скласти молекулярні та електронні рівняння відповідних реакцій, струмоутворюючу реакцію, схему гальванічного елементу, розрахувати ЕРС з використанням стандартних значень електродних потенціалів. (1,1В)

2. Скласти схему гальванічного елемента, робота якого ґрунтується на реакції.

Ni + Pb(NO₃)₂ = Ni(NO₃)₂ + Pb

Написати електронні рівняння анодного та катодного процесів. Обчислити ЕРС цього елемента, якщо [ Ni²⁺ ]=0,01мол/л, [ Pb²⁺ ]=0,0001мол/л. (0,061В)

3. Розрахувати масу речовини, яка виділиться на катоді, масу та об’єм виділеної речовини на аноді, якщо через розчин аргентум нітрату пропускали струм силою 2А на протязі 5 годин. Скласти електронні рівняння процесів на катоді та аноді. (40,3г; 2,99г; 2,09л)

 

6.2.3 Виконати завдання

6.2.3.1 Гальванічний елемент

Для даного гальванічного елемента виконати:

1. Визначити який з двох електродів може бути анодом, який катодом (стандартні умови)? Чому?

2. Записати процеси, які протікають на аноді та катоді у працюючому гальванічному елементі;

3. Записати струмоутворюючу реакцію;

4. Скласти схему гальванічного елемента;

5. Визначити е.р.с. гальванічного елемента за стандартних умов та при концентрації йонів на аноді 0,01 моль/л.

6.2.3.2 Електроліз водних розчинів

1. Скласти схеми процесів, які протікають при електролізі водного розчину даної речовини з даними електродами.

2. Розрахувати маси речовин, які утворюються, якщо електроліз буде проходити при силі струму І (А) протягом певного часу Δt (год).

№ варіан-ту	Гальва-нічний елемент	Електроліз
Речовина	Електрод	І(А)	Δt(год)
	Fe/Ni	FeCl3	Pt	2	1
	Mg/Zn	KCl	C	1,5	2
	Co/Ag	ZnBr2	Pt	3	1,5
	Pb/Cu	CaI2	C	2	3
	Al/Co	FeSO4	Fe	4	2
	Mn/Ni	HNO3	C	3	4
	Cd/Zn	KOH	C	4	2
	Ag/Cr	CdSO4	Pt	1,5	3
	Cd/H2	H2SO4	Pt	2	1,5
	Cu/Fe	Mg(NO3)2	C	3	3
	Ni/Al	NaOH	C	4	4
	Mg/Sn	AgNO3	Ag	2	5
	Fe/H2	Hg(NO3)2	C	5	3
	Mg/Cd	FeCl2	Fe	1	5
	Co/Zn	NaNO3	C	5	2
	Ag/Al	FeBr3	Pt	4	1,5
	Pb/Mn	RbCl	C	0,5	3
	Ni/Cu	Cr2(SO4)2	Cr	1,5	0,5
	H2/Al	AuCl3	Au	2	2
	Cr/Mn	Co(NO3)2	C	0,5	0,5
	Fe/Ag	TiCl3	C	3	2,5
	Sn/Li	Bi(NO3)2	Pt	2,5	3
	Cd/Hg	NiCl2	Ni	5	5
	Sn/Cr	CsBr	C	2,5	2,5
	Co/Pb	BaCl2	Pt	0,7	0,7

Прилади та реактиви

1. Прилади: гальванічний елемент, електролізери з графітовим та мідним електродами. 2. Речовини: метали магній, залізо, цинк, мідь. 3. Розчини: хлоридна кислота(2N), купрум(ІІ) сульфат, цинк сульфат, плюмбум(ІІ) нітрат, нікол(ІІ) сульфат, калій йодид, розчин крохмалю.

 

Вказівки з техніки безпеки

1. Дотримуватися правил роботи з розчинами кислот та солей

2. При роботі з електролізером дотримуватися наступних правил: – вмикати і вимикати випрямляч струму лише після перевірки викладачем правильності приєднання електродів до клем випрямляча;

– виймати та занурювати електроди до електролізу дозволяється лише при вимкнутому випрямлячі струму.