Глава 11. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

• Электродный потенциал. Уравнение Нернста Электрохимические процессы – это гетерогенные окислитель-

но-восстановительные процессы, сопровождающиеся возникновени- ем электрического тока или протекающие под воздействием электри- ческого  тока  на  границе  раздела:  «электрод  –  раствор  или расплав   электролита». Электрохимические реакции протекают в химических источниках электрической энергии: гальванических элементах, акку- муляторах, топливных элементах, при электрохимической коррозии металлов и сплавов, в процессах электролиза и др. При погружении металла в раствор электролита, содержащий ионы этого металла, на границе раздела «металл – раствор» устанав- ливается подвижное равновесие: Me ↔ Meⁿ⁺ + nē или с учетом гидратации ионов: Me + mH₂O ↔ Meⁿ⁺·mH₂O + nē. Этому равновесию соответствует определенный скачок потен- циала, называемый равновесным электродным потенциалом. Элек- тродный потенциал можно вычислить по уравнению Нернста:   jMen+ Me = j⁰ Men+ Me

• RT

nF ln a Men+ ,   где j0 n+ Me – стандартный электродный потенциал, В; n – количество Me   электронов в электродной реакции; a_Men+ – активная концентрация ионов металла, моль/л. Активная концентрация иона может быть рассчитана по формуле a_Men+ » с_М ·g, где с_М – молярная концентрация электролита, моль/л; g – коэффициент активности иона. Стандартные потенциалы металлических электродов опреде- ляют по отношению к стандартному водородному электроду, по- тенциал которого условно принят равным нулю. Если концентра- ция ионов отличается от стандартных условий, потенциал водо- родного электролита может быть вычислен по уравнению Нернста. Для растворов слабых электролитов

+

j       = 0,059·lg [H⁺]. H    H Если известен рН раствора, то потенциал водородного элек- трода может быть расcчитан по формуле

+

j       = – 0,059рН. H    H Из двух любых электродов, имеющих различные потенциалы, можно составить гальваническую цепь или собрать гальваниче- ский элемент. Конструктивно гальванический элемент можно пред-   ставить как систему, состоящую из  двух  электродов, погруженных в раствор электролитов. Для замыкания внутренней электрической цепи растворы соединяют электролитическим мостиком. Внешняя цепь замыкается металлическим проводником. Измерительные приборы включаются во внешнюю цепь. Разность потенциалов катода и анода при силе тока во внешней це- пи близкой к нулю составляет электродвижущую силу (ЭДС) элемента ЭДС = j_К  – j_А. Вычислив по уравнению Нернста потенциалы катода и анода, можно рассчитать теоретическое значение ЭДС элемента. При работе гальванического элемента на аноде протекает реак- ция окисления, на катоде ‒ восстановления.  

11.2.  Выполнение лабораторной работы

Приборы и реактивы: потенциометр; медная и цинковая пласти- ны; мерные колбы на 50 мл – 2 шт.; мерные цилиндры на 10 мл – 2 шт. Растворы: сульфата цинка 0,05 М; сульфата меди (II) 0,1 М и 0,05 М.   Опыт 1

Определение ЭДС цинк-медного гальванического элемента

Приготовить 0,005 М раствор ZnSO₄ путем разбавления 0,05 М раствора этой соли и раствор 0,1 М CuSO₄ разбавлением 0,5 М раствора. Растворы готовить следующим обра- зом. Отмерить пипеткой или мерным цилиндром расчетное количество рас- твора сульфата цинка, перенести в мерную колбу на 50 мл, довести ди- стиллированной водой до метки и пе- ремешать.  Аналогично  приготовить и   раствор сульфата меди. Растворы со- лей цинка и меди налить отдельно в стаканчики на 50 мл. Собрать гальванический элемент, Рис. 4. Цинк-медный гальваниче- ский элемент: 1 – стаканы с рас- твором электролита, 2 – электроды, 3 – солевой мостик, 4 – вольтметр   как показано на рис. 4. Для этого погрузите цинковую пластину в рас- твор сульфата цинка, а медную – в раствор сульфата меди. Для замы-   кания внутренней цепи элемента солевой мостик в виде изогнутой трубки с гелем, содержащим хлорид калия, опустить в раствор солей. Электроды с помощью проводов подключить к высокоомному входу потенциометра. Измерить разность потенциалов электродов, которая должна соответствовать практическому значению ЭДС элемента. Рассчитать теоретическое значение ЭДС данного элемента по уравнению Нернста, учитывая, что коэффициент активности ионов цин- ка в 0,005 М растворе сульфата цинка g = 0,48, а коэффициент активно- сти ионов меди в 0,1 М растворе сульфата меди g = 0,16. Рассчитать от- носительную ошибку опыта. Написать схему гальванического элемента и уравнения электродных реакций.   Опыт 2

Определение ЭДС концентрационного гальванического элемента

Приготовить 0,01 М раствор сульфата меди (II) из 0,05 М раство- ра. Для этого расчётное количество 0,05 М раствора сульфата меди (II) отмерить пипеткой или мерным цилиндром, перенести в мерную колбу на 50 мл и довести до метки дистиллированной водой. В качестве вто- рого раствора взять приготовленный в предыдущем опыте 0,1 М рас- твор сульфата меди (II). Оба раствора налить в стаканчики на 50 мл и собрать гальванический элемент, используя в качестве электродов две медные пластины. Измерить практическое значение ЭДС элемента. Рассчитать потенциал медного электрода в растворе с меньшей кон- центрацией, учитывая, что коэффициент активности ионов для 0,01 М раствора сульфата меди (II) g = 0,43. Потенциал медного электрода в 0,1 М растворе сульфата меди взять из первого опыта. Сопоставить величины двух медных электродов. Определить анод и катод. Рассчи- тать теоретическое значение ЭДС. Вычислить относительную ошибку опыта. Написать схему гальванической цепи. Составить уравнения реакций. Сделать вывод о том, сколько времени может работать галь- ванический элемент.