Гальванические элементы. Методические указания к лабораторной работе

Министерство образования Российской Федерации ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Данная работа является руководством к выполнению лабораторной работы «Гальванические элементы». Работа содержит: краткие теоретические сведения, описание опытов, вопросы и задачи для СРС, справочные данные. Ключевые слова: гальванические элементы, полуреакции окисления и восстановления, электрохимические системы, электродные потенциалы, уравнение Нернста, энергия Гиббса, электродвижущая сила, стандартная э.д.с.

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Методические указания к лабораторной работе «Гальванические элементы»

Составители: Сергеева Ц.Б., Батуева Д.М.

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ 2004

1. Краткие теоретические сведения Гальванические элементы – это устройства, в которых происходит превращение энергии химической окислительно-восстановительной реакции (ОВР) в электрическую энергию. Такое превращение становится возможным за счет пространственного разделения процессов окисления и восстановления, тогда переход электронов от восстановителя к окислителю осуществляется по металлическому проводнику, в результате чего образуется поток электронов в металлическом проводнике (электрический ток). В обычной ОВР переход электронов хаотичен, энергия химической реакции превращается в теплоту. Простейший гальванический элемент состоит из двух металлических электродов, погруженных в растворы их солей, при этом электроды соединены металлическим проводником, а растворы – т.н. солевым мостиком (электролитическим ключом). Таким образом, образуется замкнутая электрическая цепь, в которой отклонение стрелки гальванометра показывает наличие тока в системе (рис. 1).

Рис. 1 Схема гальванического элемента

3

Необходимое условие работы гальванического элемента – разность электродных потенциалов. Именно разность электродных потенциалов вызывает самопроизвольный процесс перехода электронов от анода – окислителя к катоду – восстановителю. Например, обычная реакция окисления – восстановления Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu или Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu (1) в медно-цинковом гальваническом элементе разделена на две полуреакции – анодное окисление и катодное восстановление: А: Zn − 2e = Zn 2+ К: Cu 2+ + 2e = Cu 0 Суммирование этих двух полуреакций приводит к реакции (1), которую называют токообразующей. Очевидно, что фактически любую ОВР можно представить как токообразующую реакцию. Принята краткая запись гальванического элемента: 1) (−) Zn / ZnSO4 // CuSO4 / Cu (+ ) или 2) (−) Zn / Zn 2+ // Cu 2+ / Cu (+) , где одна черта означает границу между электродом и раствором, две черты – границу между растворами, знак (-) означает анод (А), а знак (+) – катод (К). Величина электродного потенциала металла зависит от свойств метала, активности (концентрации) его ионов в растворе и температуры. Эта зависимость выражается уравнением Нернста: RT (2) ϕ = ϕo + lna Men + nF где a Men + - это активность (концентрация) ионов металла в

растворе; n – заряд катиона Ме; 4

Т – абсолютная температура, К; F – постоянная Фарадея, равная 96500 кл/моль; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль.К. Используя уравнение Нернста, можно рассчитать э.д.с. элемента при условиях, не равных стандартным. Если ограничиться стандартной температурой (Т=298оК), то после подстановки R, T, F и перехода от натуральных логарифмов к десятичным, получаем: 0,059 ϕ = ϕo + lgC Men + , (3) n где С в моль/л. Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой элемента (э.д.с.). Она равна разности равновесных потенциалов катода и анода: Е = ϕк - ϕА. По значениям стандартных электродных потенциалов (табл. 1) можно вычислить стандартную э.д.с. элемента: o o E o = ϕ ko − ϕ Ao = ϕ Cu − ϕ Zu = 0,34 − (−0,76) = 1,1 B 2+ 2+ / Cu / Zu Максимальная электрическая работа гальванического элемента при превращении одного моля вещества Амэ равна: Амэ=Q.E, где Q – количество электричества, Е – э.д.с. элемента. Так как Q=nF, то Амэ=n.F.E. Как известно, самопроизвольный процесс, протекающий при постоянных р и Т, характеризуется убылью энергии Гиббса: ∆G < 0 . С другой стороны, − ∆G = Aмn (максимальная полезная работа химической реакции равна убыли энергии Гиббса реакции). Так как Амэ=Амп, то − ∆G = nFE . Отсюда: ∆G . Значит, для работы гальванического элемента E=− nF необходимо, чтобы выполнялось условие: ∆G < 0 , а Е>0. Последнее условие справедливо не только для гальванических элементов, но и для обычных ОВР с 5

непосредственным взаимодействием реагирующих веществ, а именно: ОВР возможна или, говорят, протекает в прямом направлении, если Е>0, т.е. ϕ окислителя > ϕ восстановителя , что можно узнать, сопоставляя электродные потенциалы соответствующих систем. Необходимую для работы гальванического элемента разность потенциалов можно создать, используя одинаковые электроды, погруженные в один и тот же раствор, но разной концентрации. В этом случае элемент называется концентрационным, а работает он из-за выравнивания концентраций. Пример: (−) Ag / AgNO3 (C1 ) // AgNO3 (C 2 ) / Ag (+) Очевидно, что в общем случае: С1