Загальні поняття по гальванічний елемент.

Окисні та відновні процеси на електродах.

Катоди і аноди. ЕРС

Окиснювально-відновна реакція може відбуватися хімічним шляхом – коли електрони від відновника безпосередньо переходять до окисника. Енергія хімічної реакції в цьому процесі перетворюється на теплову.

Якщо окиснювально-відновні процеси просторово відокремити, що відбувається у гальванічних елементах, то перехід електронів від відновника до окисника по зовнішньому провіднику спричинює виникнення електричного струму та перетворення хімічної енергії в електричну.

Гальванічним елементом називається будь-який пристрій для безпосереднього перетворення хімічної енергії окиснювально-відновної реакції у електричну енергію.

Гальванічний елемент складається з зовнішнього і внутрішнього кіл, електрохімічно з'єднаних між собою. До зовнішнього кола відносяться електричні дроти та електричні прилади (вимірювачі величини струму і напруги, споживачі або джерело струму, тощо). Внутрішнє коло складається з електродів, причому електроліти з'єднуються між собою напівпроникною мембраною або електролітичним містком. Електролітичний місток виготовляється з скляної або пластмасової трубочки, заповненої насиченим розчином КСl і з обох кінців закритої пористим матеріалом. Мембрани виробляються з різних матеріалів, наприклад, щільних тканин, полімерних плівок. Через них можуть переміщуватися іони, але не переміщуються молекули розчинника.

У гальванічному елементі, потенціали електродів якого не дорівнюють один одному, процеси на електродах не будуть рівноважними. На одному з них, більш активному, обов’язково йде процес окиснення, на іншому (менш активному) - процес відновлення. Окиснювальна форма речовини (позначається Ох) завжди має у своєму складі атоми елемента з більшим ступенем окиснення, ніж у відновній (позначається Red).

Слід нагадати, що кожна окиснювально-відновна реакція складається з двох напівреакцій − окиснення і відновлення. Коли реакція відбувається у гальванічному елементі, або здійснюється за допомогою електролізу, то кожна напівреакція відбувається на відповідному електроді, тому напівреакції називаються у цих випадках − електродними процесами або електродними реакціями.

Розглянемо приклад гальванічного елементу (елемент Якобі – Даніеля, рис.2).

4

V

3

1 К (−) А (+) 2

 

Рис.2. Схема гальванічного елемента (елемент Якобі-Даніеля).

1 - цинковий електрод − цинкова пластина, занурена у розчин цинк сульфату;

2 - мідний електрод − мідна пластина, занурена у розчин купрум сульфату;

3 - електролітичний місток;

4 - вольтметр

 

У його зовнішньому колі електрони рухаються від аноду до катоду, тобто виникає електричний струм.

Катод – це електрод, на якому відновлюються катіони або нейтральні молекули: Ох + n ē ® Red.

2Н⁺ + 2ē ® Н

Сu⁺² + 2ē ® Cu⁰ приклади катодних реакцій.

4H₂O + 2ē ® H + 2OH⁻

Анод - це електрод, на якому окиснюються катіони, аніони та нейтральні молекули: Red - n ē ® Ox.

Fe⁺² - 1ē ® Fe⁺³

4OH^– - 4ē® O + H₂O приклади анодних реакцій.

Zn⁰ - 2ē ® Zn⁺²

Катод– це завжди інертний електрод, на якому є надлишок електронів і які він віддає частинкам електроліту.

Анод може бути інертним (неактивним) або активним. Інертний анод має достатньо велике значення електродного потенціалу (ним можуть бути, як правило, благородні метали та графіт) і тільки приймає на себе електрони від частинок електроліту, тобто служить для їх накопичення. Активний анод сам розчинюється і посилає катіони у розчин, тобто матеріал аноду безпосередньо приймає участь у окисному процесі: Zn⁰ - 2ē ® Zn²⁺.

Віднесення електродів до певного типу залежить від співвідношення значень потенціалів обох електродів: функції катоду виконує електрод з більшим потенціалом, тобто j_кат завжди більше, ніж j_ан. Наприклад, в елементі Якобі-Даніеля анодом буде цинк, а катодом - мідь тому, що потенціал першого значно менший. Рівняння електродних процесів, що відбуваються при роботі елемента Якобі-Даніеля, мають вигляд:

К: Cu⁺² + 2ē ® Cu⁰;

A: Zn⁰ − 2ē ® Zn⁺².

При схематичному записі, що заміняє рисунок гальванічного елемента, межу розподілу між провідником першого роду і провідником другого роду позначають вертикальною рискою, а межу розподілу між провідниками другого − двома рисками. Наприклад, схема цього елемента буде така:

(–)Zn|ZnSO₄||CuSO₄|Cu (+).

Якщо необхідно, у схемі вказують і концентрації електролітів, наприклад:

(–)Zn|ZnSO₄, 1 М ||CuSO₄, 0,1 М |Cu (+).

Найголовнішою характеристикою гальванічного елемента є його електрорушійна сила - ЕРС (Е), яка дорівнює різниці потенціалів катода та анода

Е = j _кат - j _ан.

ЕРС завжди позитивна величина, тому що j _кат > j _ан.