Основные особенности электрохимических элементов. Химические источники тока. Электрохимическая коррозия и методы борьбы с ней..
Устройства, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций преобразуется в электрическую энергию называют гальваническими элементами или химическими источниками тока.
Поместим цинковую и медную пластинки соответственно в растворы ZnSO4 и CuSO4 . На границах раздела фаз сформируется двойной электрический слой с установившимся гетерогенным равновесием у цинка: Zn ↔ Zn 2+ + 2е, и у меди:
Сu↔ Cu2++2е
После достижения равновесных электродных потенциалов —окисление цинка и восстановление ионов меди на медной пластинке прекратится. Однако если обе пластинки соединить металлическим проводником, то вследствие разности потенциалов часть электронов с цинковой пластинки перейдет на медную. Это нарушит сложившуюся структуру двойного электрического слоя: потенциал цинка повысится, а меди — понизится. Для восстановления прежнего гетерогенного равновесия на цинковой пластинке вновь начнется окисление цинка с переходом дополнительною количества ионов цинка в раствор, а на медной пластинке — восстановление ионов меди (см. рис.18).
Рис. 18. Гальванический элемент Даниэля-Якоби
В рассматриваемом гальваническом элементе Даниэля-Якоби, находящиеся в растворе, катионы меди и цинка перемещаются от цинкового электрода (полуэлемента) к медному, а сульфат-анионы в обратном направлении. В итоге жидкость у обоих электродов остается электрически нейтральной.
Суммарный процесс в элементе Даниэля — Якоби выражается тем же уравнением реакции:
Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Сu,
что и при непосредственном взаимодействии цинка и раствора сульфата меди. Однако в гальваническом элементе окислительные и восстановительные процессы пространственно разделены. Процесс восстановления идет на положительном электроде (медном), который называют катодом, а процесс окисления — на отрицательном электроде (цинковом), называемом анодом.
Правило для запоминания: катод-восстановление (оба слова начинаются на гласную), анод –окисление (оба слова начинаются на согласную).
Электрический ток во внешней цепи гальванического элемента способен совершать полезную работу. Совершаемая работа будет максимальной лишь в случае обратимого и бесконечно медленного протекания реакции. Применительно к гальваническому элементу это означает, что отбираемый ток должен быть минимальным, т. е. при бесконечно большом сопротивлении внешней цепи. При замыкании элемента на бесконечно большое сопротивление разность потенциалов между его полюсами (напряжение) максимальна и называется электродвижущей силой (ЭДС) данного элемента Е.
Для определения ЭДС элемента Даниэля — Якоби сравним стандартный электродный потенциал цинковой и медной пластинок. При этом окисленную форму записывают в левой части уравнения, а восстановленную — в правой:
Zn2+ + 2e = Zn; φ01 = — 0,76 В;
Сu2+ + 2е = Сu; φ02 = + 0,34 В
В гальваническом элементе должны идти два процесса – восстановления и окисления. В восстановительном направлении пойдет тот процесс, электродный потенциал для которого больше. Таким образом, будут восстанавливаться ионы меди и окисляться металлический цинк. При этом электроны будут переходить от цинкового (отрицательного электрода) к медному (положительному электроду).
Zn = Zn2+ + 2e (анодный процесс)
Сu2+ + 2е = Сu (катодный процесс)
ЭДС равна разности электродных потенциалов катода (меди) и анода (цинка): 0,34 — (-0,76) = 1,10 В.
При изображении схемы гальванического элемента отрицательный электрод (анод) всегда записывается слева. Так, для медно-цинкового элемента схема имеет вид:
(-) Zn |ZnSO4 || CuSO4 |Сu (+)
Ваша оценка?
