Рассмотрим принцип работы и окислительно-восстановительные реакции на примере медно-цинкового гальванического элемента (Даниэля-Якоби) (рис. 1).
Цинк, имеющий отрицательный электродный потенциал, выступает в качестве анода и будет окисляться:
Zn o — 2е — → Zn 2+ .
На медном катоде будут восстанавливаться ионы меди
Cu 2+ + 2e — → Cu o .
Суммарное уравнение реакции выглядит так:
Zn o + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu o .
Схема гальванического элемента:
(-) Zn | Zn SO4 | | Cu SO4 | Cu (+). За счет окислительно-восстановительной реакции во внешней цепи течет электрический ток, который можно зафиксировать прибором, а по внутренней цепи движутся ионы SO4 2- ,тем самым создается ионное равновесие в растворе. Гальванический элемент работает, пока не растворится весь анод или пока электродные потенциалы анода и катода не примут одинаковые значения.
Рис.1.Схема медно-цинкового гальванического элемента
Электролиз
По значениям стандартных электродных потенциалов или алгебраической суммы окислительно-восстановительных потенциалов частных реакций определяется ЭДС элемента:
ЭДС = 0,34 — (- 0,76) = 1,1 В.
При изменении стандартных условий расчет ведется с использованием уравнения Нернста.
Гальванический элемент, в котором электродвижущая сила (ЭДС) возникает за счет различной концентрации растворов электролитов, в которые погружены одинаковые металлические электроды, называется концентрационным гальваническим элементом. Электрод, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, является анодом, а с большей – катодом.
Концентрационный гальванический элемент работает до тех пор, пока не сравняются концентрации растворов.
При работе элемента его ЭДС постепенно уменьшается вследствие смещения потенциалов электродов от равновесного состояния. Это явление получило название поляризации.
Лабораторная работа № 3
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Опыт 1. Изготовление медно-цинкового элемента.
Одну пробирку заполните доверху 1 М раствором сульфата цинка, другую – 1 М раствором сульфата меди. Пробирки соедините электролитным мостиком, заполненным насыщенным раствором хлорида калия в смеси с агар-агаром. Опустите в раствор сульфата цинка ZnSO4 цинковую пластинку, а в раствор сульфата меди CuSO4 – медную (пластинки предварительно очистите наждачной бумагой). Пластинки соедините электрическим проводом с гальванометром. Наблюдайте отклонение стрелки гальванометра, указывающее на возникновение электрического тока.
Составьте схему гальванического элемента. Напишите уравнения химических реакций, протекающих на электродах гальванического элемента, и суммарное уравнение химической реакции, в результате которой возникает электрический ток в данном элементе.
Используя числовые значения стандартных электродных потенциалов цинка и меди, вычислите ЭДС медно-цинкового гальванического элемента.
6. Химические источники тока. Гальванический элемент
В каком направлении перемещаются электроны во внешней цепи? Какие ионы и в каком направлении перемещаются в растворе?
Опыт 2. Изготовление концентрационного гальванического элемента.
Заполните две пробирки растворами сульфата меди разной концентрации: первую – 2 M раствором CuSО4, вторую – 0,02 M раствором CuSO4. Соедините пробирки электролитным мостиком. Опустите в каждую пробирку медные пластинки и соедините их проводками с гальванометром.
Составьте схему концентрационного гальванического элемента. Напишите уравнения химических процессов, протекающих на электродах.
Используя значение стандартного потенциала медного электрода и уравнение Нернста, вычислите электродный потенциал катода и анода, а также ЭДС концентрационного гальванического элемента.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие приборы называются гальваническими?
2. Что такое двойной электрический слой?
3. Что такое электродный потенциал? Его расчет по уравнению Нернста.
4. Электрохимический ряд стандартных электродных потенциалов. Его сущность и практическое значение.
5. Какие гальванические элементы называются концентрационными? Принцип работы.
6. Вычислите потенциал свинцового электрода в насыщенном растворе бромида свинца, если концентрация иона свинца составляет 10 -5 г-ион/л.
7. Насколько изменится потенциал цинкового электрода, если раствор соли цинка, в который он погружен, разбавить в 10 раз?
8. В гальваническом элементе протекает реакция
Составьте схему элемента, покажите окислительно-восстанови-тельный процесс и вычислите ЭДС по стандартным значениям потенциалов катода и анода.
9. Какие процессы происходят на электродах гальванического, элемента
Рассчитайте ЭДС такого элемента, зная, что C2 = 100 С1.
10. Вычислите ЭДС элементов:
Sn │ Sn 2+ (0,1 М) || Ag + (1 М) │Ag.
Cu │Cu 2+ (0,01 М) || Ag + (2 М)│ Ag.
Cd │Cd 2+ (0, 003 М) || Cu 2+ (0,1 М)│Cu.
Тест для подготовки к экзамену
1. Укажите вид энергии, которая вырабатывается при работе гальванических элементов.
2. Электродвижущая сила гальванического элемента определяется по формуле
3. Процесс, протекающий на аноде в гальваническом элементе, –
3) окисление и восстановление.
4. Процесс, протекающий на катоде в гальваническом элементе, –
3) окисление и восстановление.
5. Укажите цепь гальванического элемента, которая составлена верно.
6. Стандартные электродные потенциалы меди и алюминия равны соответственно + 0,34 В; — 1,66 В. Какой металл является анодом, если цепь гальванического элемента образована медным и алюминиевым электродами?
7. Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?
8. Какой вид энергии переходит в электрическую в гальваническом элементе?
9. Стандартные электродные потенциалы меди и никеля равны соответственно + 0,34 В, — 0,23 В. Какой металл является катодом, если цепь гальванического элемента образована медным и никелевым электродами?
3) никель и медь.
10. Стандартные электродные потенциалы меди, железа и магния равны соответственно + 0,34 В; — 0,44 В; — 2,37 В. Какой металл более активный?
4) железо и магний.
11. В какой вид энергии переходит химическая в гальваническом элементе?
12. Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?
13. Стандартные электродные потенциалы свинца и марганца равны соответственно — 0,13 В; — 1,18 В. Какой металл является анодом, если цепь гальванического элемента составлена марганцевым и свинцовым электродами?
14. Стандартные электродные потенциалы серебра и никеля равны соответственно + 0,80 В; — 0,23 В. Какой металл является катодом, если цепь гальванического элемента составлена из серебряного и никелевого электродов?
15. Стандартные электродные потенциалы никеля и цинка равны соответственно — 0,23 В; — 0,76 В. Какой металл является источником электронов, если цепь гальванического элемента составлена двумя электродами: никелевым и цинковым?
16. Стандартные электродные потенциалы железа и алюминия равны соответственно — 0,44 В; — 1,66 В. Какой процесс протекает на алюминиевом электроде, если цепь гальванического элемента образована двумя электродами: алюминиевым и железным?
3) окисление и восстановление.
17. Стандартные электродные потенциалы меди и цинка равны соответственно + 0,34 В; — 0,76 В. Гальваническая цепь составлена двумя электродами: цинковым и медным. Какой процесс протекает на медном электроде?
18. Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваническом элементе Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu?
1) Cu 0 + Cu +2 → Zn +2 + Zn 0 ;
2) Cu 0 + Zn +2 → Zn 0 + Cu +2 ;
3) Zn 0 + Cu +2 → Zn +2 +Cu 0 ;
4) Cu 0 + Zn 0 → Cu +2 +Zn +2 .
19. Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?
20. Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваническом элементе Al | Al2(SO4)3 || FeSO4| Fe?
1) 2Al 0 + 2Al +3 → 3Fe +2 + 3Fe 0 ;
2) 2Al 0 + Fe 0 → 2Al +3 + 3Fe +2 ;
3) 2Al 0 +3Fe +2 → 2Al +3 + 3Fe 0 .
21. Электродные потенциалы алюминия, цинка и золота равны соответственно — 1,70 В; — 0,76 В; + 1,50 В. Какой металл более активен?
22. Электродные потенциалы магния, цинка и меди равны соответственно — 2,37 В; — 0,76 В; + 0,34 В. Какие металлы могут быть анодами в гальванических элементах?
23. Составлена схема гальванического элемента
Mg | MgSO4 || ZnSO4 | Zn. Какой процесс протекает на аноде?
1) Zn 0 — 2e — ® Zn +2 ;
2) Mg 0 — 2e — ® Mg +2 ;
3) Mg +2 +2e — ® Mg 0 ;
4) Zn +2 +2e — ® Zn 0 .
24. Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваническом элементе Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu?
25. Какой процесс протекает на катоде в данном гальваническом элементе Ni | NiSO4 || CuSO4 | Cu?
1) Cu 0 — 2e — ® Cu +2 ;
2) Cu +2 + 2e — ® Cu 0 ;
3) Ni 0 — 2e — ® Ni +2 ;
4) Ni +2 + 2e — ® Ni 0 .
| Номер вопроса |
| Вариант ответа |
| Номер вопроса |
| Вариант ответа |
| Номер вопроса |
| Вариант ответа |
ЭЛЕКТРОЛИЗ
Электролизом называются окислительно-восстановительные реакции, протекающие на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор электролита или через его расплав.
Электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника тока, называется катодом. На катоде происходит процесс восстановления.
Электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, называется анодом. На аноде происходит процесс окисления.
Таким образом, в процессах электролиза электрическая энергия переходит в химическую энергию. На характер и течение электродных процессов при электролизе большое влияние оказывают: состав электролита, растворитель, материал электродов, режим электролиза (напряжение, плотность тока, температура и др.).
Электролиз может происходить не при любой разности потенциалов (напряжении), а при вполне определенной, называемой потенциалом разложения Еразл. Потенциал разложения – это наименьшее напряжение, при котором начинается электролиз данного соединения. Следует различать электролиз расплавленных электролитов и их растворов (с участием воды).
Источник: cyberpedia.su
Пример 3. Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых кадмий будет анодом, в другом – катодом
Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых кадмий будет анодом, в другом – катодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на электродах, и посчитайте электродвижущую силу (эдс) элементов.
Устройства, используемые для преобразования энергии химической реакции в электрическую, называются гальваническими элементами. Элемент работает за счет протекания окислительно-восстановительной реакции. Электрод, на котором идет восстановление, называется катодом, а окисление протекает на аноде. Если анод и катод изготовлены из разных металлов, то на электроде из более активного металла (с меньшим значением электродного потенциала) идет процесс окисления и он играет роль анода. Менее активный металл будет катодом и на нем протекает процесс восстановления.
Электродвижущая сила гальванического элемента равна разности значений электродных потенциалов катода и анода: ЭДС = EК — EА.
Чтобы в гальваническом элементе кадмий был катодом (E 0 Cd = – 0,40 В), в качестве анода нужно подобрать электрод из более активного металла, например, марганца (E 0 Mn = – 1,18 В).
Схема гальванического элемента:
( — ) Mn ê Mn 2+ êê Cd 2+ ê Cd (+) .
Уравнения реакций, протекающих на электродах:
на аноде (-) Mn 0 – 2 = Mn 2+ – окисление,
на катоде (+) Cd 2+ + 2 = Cd 0 – восстановление,
Mn 0 + Cd 2+ = Mn 2+ + Cd 0 .
Рассчитаем ЭДС элемента по формуле
Если в пару с кадмием в качестве другого электрода взять менее активный металл, например, свинец (E 0 Pb = – 0,13 В), то кадмий будет играть роль анода.
Схема гальванического элемента:
( — ) Cd ê Cd 2+ êê Pb 2+ ê Pb (+) .
Уравнения реакций протекающих на электродах:
на аноде (-) Cd 0 – 2 = Cd 2+ – окисление,
на катоде (+) Pb 2+ + 2 = Pb 0 – восстановление.
Рассчитаем ЭДС элемента по формуле
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник: studopedia.ru
Электродвижущая сила гальванического элемента (ЭДС)
Сила, позволяющая перемещаться электронам по цепи в гальваническом элементе, называется электродвижущей силой (E), которая в данном случае означает то же, что и напряжение, и потенциал. Поэтому Э.Д.С. измеряется в вольтах.
Вспомним, что 1 вольт (В) представляет собой электродвижущую силу, которая позволяет заряду в 1 кулон (Кл) приобрести энергию в 1 джоуль (Дж).
ЭДС гальванического элемента определяется многими факторами:
— проводимым в элементе химическим процессом;
— концентрацией участников процесса (как реагентов, так и продуктов);
Если гальванический элемент работает в стандартных условиях, то его Э.Д.С. называется стандартной и обозначается Е°.
Стандартные электродные потенциалы
Еще со времен Галилея известно, что все в мире относительно. С тех пор любые события, процессы и явления мы можем рассматривать относительно других событий, процессов или явлений.
Чтобы понять, какова же Э.Д.С. конкретного металла, нужно сравнить ее с такой Э.Д.С., величина которой нам наверняка известна. Для этого был составлен гальванический элемент с газообразным водородом в качестве электрода.
Как устроен и как работает гальванический элемент с водородным электродом
Значение потенциала водородного электрода, с которым будут сравниваться величины измеряемых потенциалов электродов гальванического элемента, условно принимается на ноль.
Конечно же сам водород подключить к цепи мы не можем, так как это газообразное вещество.
Итак, в цепь включена тонкая платиновая Pt пластинка, имеющая дополнительное покрытие из платины, осажденной на ее поверхности электролитическим путем. Здесь адсорбируется газообразный водород, который дополнительно удерживается стеклянной колбой. Последняя же заполнена электролитом: 2н. раствором серной кислоты H2SO4. Кроме того, сюда из баллона подается водород H2.
Вторая часть гальванического элемента, как обычно, представлена цинковой пластинкой (анод), погруженной в раствор соли этого же металла, например, сульфата цинка ZnSO4 . Электроны анода после замыкания цепи переходят в катодное пространство и обеспечивают там восстановление ионов водорода H+:
Схематично рассмотренный гальванический элемент записывают так:
После замыкания цепи стрелка прибора покажет величину потенциала 0,76 В.
ЭДС гальванического элемента с водородным электродом
Итак. Стрелка вольтметра остановилась на значении 0,76 В. Это и есть величина Э.Д.С. гальванического элемента, устройство которого мы рассмотрели.
Поскольку в гальваническом элементе всегда одновременно протекают два противоположных процесса: окисление и восстановление, то Э.Д.С. элемента будет представлена суммой двух потенциалов: окислительного и восстановительного соответственно
Поскольку в ходе процесса окисляется цинк, посчитанное (и измеренное) значение Э.Д.С. будет относиться не столько ко всему элементу, сколько к цинковому аноду.
Именно таким же образом, имея в распоряжении стандартный водородный электрод, были получены значения других стандартных электродных потенциалов.
Э.Д.С. гальванического элемента определяется по формуле, учитывающей электродные потенциалы участников процесса
Возможны случаи, когда электрод в одном гальваническом элементе является анодом, а в другом (в паре с другим металлом) катодом. Иными словами, в зависимости от ситуации он может как окисляться, так и восстанавливаться. Какой же электродный потенциал будет иметь металл?
В таких ситуациях работает правило:
потенциалы окислительного и восстановительного процессов имеют одинаковое численное значение и противоположны по знаку
Например, для цинка:
Важно отметить, что в справочных таблицах стандартных электродных потенциалов принято отображать только восстановительные процессы. Поэтому, если электрод, значение Э.Д.С. которого вам надо взять из такой таблицы, является участником окислительного процесса, вы находите в ней значение Э.Д.С. для него, как для участника восстановительного процесса, и меняете знак на противоположный.
Итак, в самом общем случае Э.Д.С. гальванического элемента определяется по формуле:
Необходимо учесть, что
Э.Д.С. гальванического элемента всегда положительна
Определим Э.Д.С. гальванического элемента, состоящего из медного и цинкового электродов, погруженных в растворы их солей:
Для вычисления воспользуемся справочной таблицей стандартных электродных потенциалов металлов и формулой для расчета Э.Д.С., учитывая, что из двух значений потенциалов, меньшее будет соответствовать окислительным процессам на аноде, а большее – восстановительным процессам на катоде.
По данным таблицы восстановительный потенциал цинка равен -0,763 В. В данном процессе цинк окисляется, значит, его окислительный потенциал составляет +0,763 В. Медь восстанавливается, ее потенциал равен +0,337 В.
Ряд напряжений металлов. Что это такое и каково его значение
Если измерить указанным выше образом значения стандартных электродных потенциалов металлов и расположить их в порядке возрастания, то получится знаменитый ряд напряжений металлов (не совсем верный термин). Лучше его называть рядом стандартных электродных потенциалов металлов. Он имеет еще несколько названий: электрохимический ряд активности металлов, ряд Бекетова. В нем кроме металлов присутствует единственный неметалл водород. Надеемся, теперь понятно, почему.
Li Rb K Cs Ba Sr Ca Na Mg Be Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
Каково же значение данного ряда?
По величинам стандартных электродных потенциалов можно предположить, насколько ярко выражены те или иные свойства соответствующих металлов:
1) Чем меньше величина потенциала, тем более активным является металл. Так, ряд начинается литием. Величина его потенциала Е°=-3,045 В. Это самое маленькое значение среди всех остальных. И действительно, литий очень активный металл. Он легко окисляется и трудно восстанавливается из своего иона.
2) Все металлы, стоящие в данном ряду левее водорода (т.е. имеющие отрицательное значение потенциала) вытесняют его из разбавленных кислот (кислот, подобных соляной, серной).
3) Каждый предыдущий металл ряда вытесняет все последующие из растворов их солей. Например:
Этот вывод можно подтвердить расчетами:
А вот такая реакция не возможна:
И это также легко подтверждается вычислением Э.Д.С. предполагаемого окислительно-восстановительного процесса:
Полученное отрицательное значение Э.Д.С. говорит о том, что переход электронов с меди на железо не возможен.
4) Если построить из металлов данного ряда гальванический элемент, то его Э.Д.С. будет тем больше, чем больше разность стандартных электродных потенциалов этих металлов.
Например, какой окислительно-восстановительный процесс будет идти эффективнее: вытеснение железа из его соли магнием или цинком? Для ответа на этот вопрос необходимо посчитать Э.Д.С. обоих процессов и сравнить полученные значения:
В обоих случаях Э.Д.С. положительна. Значит, процессы возможны. Однако, взаимодействие сульфата железа (II) с магнием более эффективно, чем с цинком почти в 6 раз.
Электродвижущая сила гальванического элемента (ЭДС)
Электрическая работа, получаемая с помощью гальванического элемента, будет максимальной, когда элемент работает в условиях, наиболее близких к обратимым. Максимальная разность потенциалов электродов данного гальванического элемента, которая определяется в условиях равновесия, называется его электродвижущей силой (ЭДС). Она равна разности равновесных потенциалов катода и анода элемента.
При стандартных условиях:
ЭДС0 = Dj0 = j0катода -j0анода . (7.3)
Пример 10. Вычислить ЭДС гальванического элемента, составленного из магниевого и свинцового электродов, в котором [Mg2+] = 0,1 M; [Pb2+] = 0,001 M.
Решение. j0 Mg2+/Mg = -2,37 В; j0 Pb2+/Pb = -0,13 B (табл. 7.1); j 0 магниевого электрода меньше, т.е. Mg является более активным металлом, поэтому в гальваническом элементе магний будет анодом, а свинец — катодом.
На электродах будут протекать следующие процессы:
Схема гальванического элемента записывается так: Mg½Mg2+?Pb2+½Pb.
Для расчета ЭДС необходимо найти электродные потенциалы.
Согласно уравнению (7.2):
= j0 + -2,37 + 0,0295.lg 0,1 = -2,4 B;
= -0,13 + 0,0295.lg 0,001 = -0,13 + 0,0295·(-3) = -0,22 В.
ЭДС = j кат — j ан = -0,25 — ( -2,4) = 2,15 В.
Пример 11. Определить ЭДС гальванического элемента, составленного из серебряных электродов, опущенных в 0,0001 М и 0,1 М растворы AgNO3.
Решение. Гальванический элемент может быть составлен не только из различных, но и одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита различной концентрации (концентрационные элементы). Найдем электродные потенциалы по формуле Нернста (7.2):
j 1Ag+ / Ag = j0 + ×lg[Ag+] = 0,8 + 0,059 × lg0,001 = 0,8 + 0,059×(-3) = 0,62 В,
j 2Ag+ / Ag = 0,8 + 0,059×lg0,1 = 0,8 — 0,059 = 0,74 В.
ЭДС = j кат — j ан = 0,74 — 0,62 = 0,12 В.
Схема такого гальванического элемента записывается так:
(-) Ag½ AgNO3(0,001М) ? AgNO3(0,1М) ½ Ag(+) .
Как уже было показано на примере водородного электрода, электроды, а следовательно, и гальванические элементы могут быть созданы не только для реакции окисления-восстановления металлов, но и для любых веществ и окислительно-восстановительных реакций, происходящих в растворах или расплавах.
Например, для реакции в растворе:
2KMnO4 + 5Na2SO3 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5Na2SO4 + K2SO4 + 3H2O
процессы окисления и восстановления можно разделить в виде полуреакций:
на аноде: 5 ½ SO32- + H20 = SO42- + 2H+ + 2? ; (0,17 В),
на катоде: 2 ½ MnO4- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2O (1,51 В).
Суммируем:
2MnO4- + 5SO32- + 6H+ + 10? = 2Mn2+ + 5SO42- + 3H2O + 10?.
Токообразующая реакция:
2MnO4- + 5SO32- + 6H+ = 2Mn2+ + 5SO42- + 3H2O.
Для осуществления таких реакций обычно используют катализатор, который одновременно является проводником электронов, например платину (рис. 7.3).
Рис. 7.3. Гальванический элемент на окислительно-восстановительной реакции в растворе
Схема гальванического элемента:
Pt | SO32-, SO42-, H+|| MnO4-, Mn2+, H+| Pt .
Значения стандартных электродных потенциалов полуреакций приводятся в справочниках.
ЭДС такого элемента при стандартных условиях можно определить как разность потенциалов для полуреакций восстановления (окислителя) и окисления (восстановителя).
ЭДС = Dj0 = j0 (MnО4-/ Mn2+) — j0 (SO42- / SO32-) = 1,51 — 0,17 = 1,34 B.
Если при этом ЭДС положительна, то реакция возможна при стандартных условиях, так как DG реакции и электрическая работа (ЭДС) связаны между собой соотношением:
где F — постоянная Фарадея (заряд, переносимый одним молем элементарных зарядов (F = 96485, или »96500Кул/моль экв);
n — заряд, переносимый одной частицей (для Zn2+ и Cu2+ n = 2);
Dj = jкатода — jанода = jок-ля — jвосст-ля.
Таким образом, разность потенциалов на электродах можно не только непосредственно измерить, но и вычислить из чисто химических экспериментальных данных. В случае нестандартных условий потенциал электрода и ЭДС элемента рассчитывается по формуле Нернста (7.1).
Например, для рассматриваемой реакции:
(n = 10). Так как концентрации реагентов находятся под знаком логарифма, то зависимость Dj от них слабая.
Источник: lux-stahl.ru