Электродные потенциалы и гальванические элементы

Система, состоящая из металла, погруженного в раствор электролита, называется электродом.

Гальваническим элементом называется многофазная система, состоящая по меньшей мере из двух электродов (полуэлементов). В качестве примера рассмотрим цинк-серебряный гальванический элемент (рис. 1), состоящий из цинкового и серебряного полуэлементов.

Гальванический элемент (рис.1) состоит из растворов, содержащих ионы Zn²⁺ и Ag⁺, разделенных пористой диафрагмой для того, чтобы обеспечить протекание тока без смешения растворов. В каждый из растворов опущен электрод из соответствующего металла. Границу раздела фаз металл – раствор обозначают символом «/», а электролитический контакт растворов – «//». Таким образом, схему рассматриваемого элемента можно представить в виде

 

Рис. 1. Схема цинк-серебряного гальванического элемента

В цинковом полуэлементе протекает реакция окисления, электрод называют анодом. При протекании тока масса анода уменьшается за счет его растворения.

Zn «Zn²⁺ + 2e.

В серебряном полуэлементе протекает реакция восстановления, электрод называют катодом. При протекании тока масса катода увеличивается за счет осаждения на его поверхности металла.

2 Ag⁺ + 2e «Ag

Суммарная реакция получается сложением полурекций:

Zn + 2Ag⁺ «Zn²⁺ + 2 Ag

Направление протекания самопроизвольного процесса, можно определить из величин электродных потенциалов полуэлементов.

Электродный потенциал это разность потенциалов гальванического элемента, состоящего из исследуемого электрода и электрода сравнения, при условии, что ток во внешней цепи стремится к нулю. Измеренную в таких условиях разность потенциалов называют электродвижущей силой (коротко – э.д.с.).

Стандартным электродом сравнения служит стандартный водородный электрод. Это газовый электрод, состоящий из платиновой проволоки, покрытой слоем платиновой черни, находящийся в атмосфере водорода под давлением 1,013×10⁵ Па (1 атм) и погруженный в раствор с активностью ионов Н⁺ равной 1,0 моль/дм³. В соответствии с международным соглашением потенциал такого электрода условно принят за нуль при любых температурах.

Таким образом, для измерения электродного потенциала необходимо собрать гальванический элемент, состоящий из исследуемого электрода (всегда записывают справа) и стандартного водородного электрода (всегда записывают слева). Например, для цинкового электрода

Э.д.с. такого гальванического элемента, называют стандартным электродным потенциалом если измерения проводят при стандартных условиях (активности всех компонентов равны 1,00 моль/дм³, Т = 298 К)

.

Уравнение Нернста. Потенциал электрода зависит от состава электролита и температуры в соответствии с уравнением Нернста:

 

где φ – потенциал в Вольтах, φ^о-стандартный электродный потенциал; a_ок, a_вос – активности потенциалопределяющих ионов в окисленном и восстановленном состоянии; n – число электронов, принимающих участие в данной электродной реакции; F = 96480 Кл/моль (постоянная Фарадея); R - универсальная газовая постоянная; Т – температура, К.

При Т = 298 К для металлических электродов уравнение Нернста имеет вид:

Опыт 1. Изготовление и изучение работы медно-цинкового
гальванического элемента

Реактивы и оборудование. Гальванометр или цифровой вольтметр; химические стаканы на 50 см³; медная и цинковая пластины; электролитический мост, электрические провода, раствор ZnSO₄ 1,0 М; раствор CuSO₄ 1,0 М.

Выполнение работы. Собрать медно-цинковый гальванический элемент (элемент Даниэля) в соответствии со схемой Zn/ZnSO₄//CuSO₄/Cu. Конструкция прибора схематично представлена на рис. 1. Для этого в стаканы налить растворы солей меди и цинка, поместить в них соответствующие электроды и соединить растворы электролитическим мостом. Подключить во внешнюю цепь вольтметр и наблюдать протекание электрического тока.

Запись данных опыта. Зарисовать прибор, составить схему гальванического элемента (см. рис 1), рассчитать ЭДС гальванического элемента по плану:

1. Определить стандартные потенциалы меди и цинка (табл. П. 1), записать уравнения электродных процессов и суммарную реакцию.

2. Указать катод и анод, их заряды, направление движения электронов во внешней цепи и ионов в растворе.

3. Рассчитать э.д.с. стандартного медно-цинкового гальванического элемента.