Как составить гальванический элемент по двум электродам - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Фундаментальные законы физики и химии, и в том числе, закон сохранения массы и энергии вещества, находят свое подтверждение на уровне перемещения мельчайших частиц – электронов, массами которых в химии обычно пренебрегают.

Речь идет об окислительно-восстановительных процессах, сопровождающихся переходом электронов от одних веществ (восстановителей) к другим (окислителям). Причем вещества могут обмениваться электронами, непосредственно соприкасаясь друг с другом.

Однако существует множество случаев, когда прямого контакта веществ не происходит, а процесс окисления-восстановления все равно идет. А если он идет самопроизвольно, то при этом еще и энергия выделяется. Ее человек с успехом использует для выполнения электрической работы.

Реализуется такая возможность в гальваническом элементе, схема работы которого, а также расчеты, связанные с ним, рассматриваются в данной статье.

Содержание:

1) Простейший гальванический элемент: схема работы.

2) Как устроен гальванический элемент Даниэля-Якоби, или Так где же все-таки электрический ток?

3) Типовые задачи на схему гальванического элемента: примеры решения.

Простейший гальванический элемент: схема работы

Гальванический элемент – это прибор, позволяющий при посредстве химической реакции получить электрическую энергию.

Пластинка металла и вода: простые взаимоотношения

Давайте сначала разберемся, что происходит с пластинкой металла, если опустить ее в воду?

Процесс схож с диссоциацией соли: диполи воды ориентируются к ионам металла и извлекают их из пластины. Но почему же тогда не происходит растворения самой пластины в воде? Все дело в строении кристаллической решетки.

Кристаллы соли состоят из катионов и анионов, поэтому диполями воды извлекаются из решетки и те, и другие.

У металла же кристаллическая решетка представлена атомами-ионами. Внутри нее всегда происходит превращение атомов в катионы за счет отщепления валентных электронов и обратный процесс: катионы снова превращаются в атомы, присоединяя электроны. Электроны являются общими для всех ионов и атомов, присутствующих в кристаллической решетке металла.

Процессы внутри металлической кристаллической решетки в обобщенном виде можно показать так:

В итоге, вода, окружающая пластинку – это уже не собственно вода, а раствор, составленный из молекул воды и перешедших в нее из пластины ионов металла. На пластине же возникает избыток электронов, которые скапливаются у ее поверхности, так как сюда притягиваются гидратированные катионы металла.

Возникает так называемый двойной электрический слой.

Бесконечно катионы металла с пластины в раствор уходить не будут, поскольку существует и обратный процесс: переход катионов из раствора на пластину. И он будет идти до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие:

На границе раздела «металлическая пластина – раствор» возникает разность потенциала, которая называется равновесным электродным потенциалом металла.

Пластинка металла и раствор его соли: к чему приводит такое соседство

А что произойдет, если металлическую пластинку поместить не в воду, а в раствор соли этого же металла, например, цинковую пластинку Zn в раствор сульфата цинка ZnSO₄?

В растворе сульфата цинка уже присутствуют катионы цинка Zn²⁺. Таким образом, при погружении в него цинковой пластины возникнет избыточное количество этих катионов, и уже известное нам равновесие (см. выше) сместится влево. Все это приведет к тому, что отрицательный заряд на пластинке будет иметь меньшее значение, так как меньшее количество катионов с нее будет переходить в раствор. Как результат – более быстрое наступление равновесия и менее значительный скачок потенциала.

Потенциал металла в растворе его же соли в момент равновесия записывают так:

Металл, погруженный в раствор электролита, называют электродом, обратимым относительно катиона.

Цинк – достаточно активный металл. А если речь будет идти о медной пластинке Cu, погруженной в раствор, например, сульфата меди (II) CuSO₄?

Медь – металл малоактивный. Двойной электрический слой, конечно же, появится и в этом случае. Но! Катионы из пластинки в раствор переходить не будут. Наоборот, катионы меди (II) Cu²⁺из раствора соли начнут встраиваться в кристаллическую решетку пластинки и создавать положительный заряд на ее поверхности. Сюда же подойдут сульфат-анионы SO₄^2-и создадут вокруг нее отрицательный заряд. То есть распределение зарядов в данном случае будет совершенно противоположным, чем на цинковой пластинке.

Это общая закономерность: пластинки из малоактивных металлов при погружении в раствор их солей всегда заряжаются положительно.

Как устроен гальванический элемент Даниэля-Якоби, или Так где же все-таки электрический ток?

Известно, что электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (электронов).

На активном металле скапливаются электроны, а поверхность малоактивного металла, заряжается положительно. Если соединить проводником (например, металлической проволокой) оба металла, то электроны с одного перейдут на другой, а двойной электрический слой перестанет существовать. Это будет означать возникновение электрического тока.

Причем, ток возникает за счет окислительно-восстановительного процесса: активный металл окисляется (так как отдает электроны малоактивному), а малоактивный металл восстанавливается (так как принимает электроны от активного). Металлы друг с другом не соприкасаются, а взаимодействуют через посредника: внешнего проводника. Данная схема и есть схема гальванического элемента. Именно так устроен и работает гальванический элемент Даниэля-Якоби:

В схеме элемента показан «солевой мостик». Он представляет собой трубку, в которой присутствует электролит, не способный взаимодействовать ни с электродами (катодом или анодом), ни с электролитами в пространствах у электродов. Например, это может быть раствор сульфата натрия Na₂SO₄. Подобный мостик нужен для того, чтобы уравновешивать (нейтрализовать) заряды, образующиеся в растворах гальванического элемента.

Таким образом, возникшая электрическая цепь замыкается: анод → проводник с гальванометром → катод → раствор в катодном пространстве → «солевой мостик» → раствор в анодном пространстве → анод.

Анод – электрод, на котором происходит окисление (цинковая пластинка):

Электроны цинка Zn отправляются по внешней цепи (то есть по проводнику) на катод.

Катод – электрод, на котором происходит восстановление (медная пластинка):

Катионы меди Cu²⁺, пришедшие на пластинку из раствора сульфата меди (II), получают электроны цинкового анода.

В общем виде весь процесс окисления-восстановления в гальваническом элементе выглядит так:

Для любого гальванического элемента можно составить запись в виде схемы. Например, для приведенного элемента Даниэля-Якоби она будет выглядеть так:

Здесь:

1 – анод;

2 – катод;

3 – скачок потенциала (граница раздела фаз);

4 – электролит в анодном пространстве;

5 – электролит в катодном пространстве;

6 – граница между растворами (солевой мостик).

Или сокращенно:

Типовые задачи на схему гальванического элемента: примеры решения

По вопросу, рассмотренному в данной статье, возможны два основных вида задач.

Задача 1. Составьте схему гальванического элемента, в котором протекает реакция:

Решение:

Задача 2. Напишите электродные и суммарные уравнения реакций, протекающих в гальваническом элементе:

Решение:

Итак, разобрав принцип работы гальванического элемента, мы научились записывать схему его работы и определять основные процессы на электродах.

Чтобы самыми первыми узнавать о новых публикациях на сайте, присоединяйтесь к нашей группе ВКонтакте.

Источник

Алгоритм составления схемы гальванического элемента.

Записать схемы
электродов.
Используя
уравнение Нернста рассчитать величины
электродных потенциалов.
Определить,
зная, что φ_к

φ_а,
электрод-анод и электрод-катод.
Составить
схему гальванического элемента,
используя принятую форму записи.
Записываем
уравнения катодной, анодной и суммарной
реакций, идущих в элементе.
Рассчитать ЭДС
гальванического элемента.

Пример
1. Составить
схему гальванического элемента, анодом
которого является магний, погруженный
в раствор соли с концентрацией 0,01М.

Решение.
1.
Записываем схему электрода: Mg|Mg²⁺

По
уравнению. Нернста рассчитываем величину
электродного потенциала:

Так
как в условии задачи не указан материал,
из которого изготовлен катод, то
используя соотношение φ_к

φ_а,
выбираем металл с более положительным
потенциалом. Например, цинковый электрод.
Значение потенциала выбранного электрода
определяем по таблице «Стандартные
электродные потенциалы металлов при
25⁰С».

Следовательно,
.

Записываем схему
гальванического элемента:

А(-)
Mg|Mg²⁺||Zn²⁺|Zn (+)K

Записываем
электродные реакции:

А(-)
Mg

2e^—

Mg²⁺

K(+)
Zn²⁺
+ 2e^—

Zn⁰

Суммарная
реакция: Mg⁰
+ Zn²⁺

Mg²⁺
+ Zn⁰

Рассчитываем ЭДС
гальванического элемента:

Пример
2. Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из водородного электрода,
погруженного в раствор с рН =3 и железного
электрода, погруженного в раствор соли
с концентрацией 0.1М. Рассчитайте ЭДС
элемента.

Решение.
1.
Записываем схемы электродов:

Водородный
– 2Н⁺|
Н₂
(Pt);

Железный
–
Fe|Fe²⁺

По
уравнению Нернста рассчитываем величину
электродного потенциала железного
электрода:

Используя
уравнение Нернста (4) рассчитываем
величину электродного потенциала
водородного электрода:

Используя
соотношение φ_к

φ_а
определяем электрод-анод.

Так
как величина φ-потенциала
железного электрода меньше
следовательно этот электрод является
анодом.

Записываем схему
гальванического элемента:

А(-) Fe|Fe²⁺||2H⁺|H₂ (+)
K

Рассчитываем ЭДС
гальванического элемента.

Задания для
самоконтроля

Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из никелевого электрода-катода,
погруженного в раствор соли с концентрацией
0.02М. Напишите уравнения электродных
реакций и вычислите ЭДС гальванического
элемента.
Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из медного электрода,
погруженного в раствор соли меди с
концентрацией 0.01М и железного электрода,
погруженного в раствор соли железа с
концентрацией 0.1М. Напишите уравнения
электродных реакций. Вычислите ЭДС
гальванического элемента.
Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из стандартного водородного
электрода и ртутного электрода.
Рассчитайте его ЭДС при [Hg²⁺]=0,1
М. Напишите уравнения электродных
реакций.
Составьте
схему и рассчитайте ЭДС концентрированного
гальванического элемента, составленного
из двух железных электродов, погруженных
в раствор соли железа с концентрациями
1 М и 0,01 М. Напишите уравнения электродных
реакций.
В гальваническом
элементе протекает химическая реакция

Zn+NiSO₄=ZnSO₄+Ni.

Напишите его схему
и уравнения электродных реакций.
Вычислите ЭДС этого элемента при
стандартных условиях. Какой металл
вместо никеля можно взять, чтобы увеличить
ЭДС?

Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из водородного электрода,
погруженного в раствор с pH=5,
и марганцевого электрода, погруженного
в раствор соли марганца с концентрацией
0,2 М. Напишите уравнения электродных
реакций и рассчитайте его ЭДС.
Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из водородного электрода,
погруженного в раствор с pH=10,
и серебряного электрода, погруженного
в раствор соли серебра с концентрацией
0,01 М. Напишите уравнения электродных
реакций и рассчитайте его ЭДС.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

Вычисление ЭДС, составление схемы гальванического элемента

Задача 195.
Составьте схему гальванического элемента, состоящего из двух металлических пластин, опущенных в растворы их солей. Напишите уравнения электродных процессов. Вычислите ЭДС гальванического элемента. Cu (Cсоли = 1,5 моль/л) и Ni (Cсоли = 1,8 моль/л).
Решение:
Стандартный электродный потенциал меди – Е(Cu²⁺/Cu⁰) = +0,34 B; стандартный электродный потенциал никеля – E(Ni²⁺/Ni⁰) = -0,25 B. Медь, потенциал которой (+0,34 В) более электроположительный, чем у никеля (-0,25 В) — катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Cu²⁺ + 2e = Cu⁰

Никель, имеющий меньший потенциал, является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Ni⁰ — 2e = Ni²⁺

Для расчета значения потенциалов, используем уравнение Нернста:

Е = Е⁰ + (0,059/n)lgC, где

Е⁰ – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; C – концентрация ионов металла в растворе.

Тогда

Е(Cu) = +0,34 + (0,059/2)lg1,5 = +0,345 B;
Е(Ni) = -0,25 + (0,059/2)lg1,8 = -0,2575 B.

Для определения ЭДС гальванического элемента необходимо из потенциала катода вычесть потенциал анода, т.е. при вычислении ЭДС элемента меньший электродный потенциал вычитается из большего (в алгебраическом смысле), получим:

ЭДС = +0,345 — (-0,2575) = +0,6025 приблизительно +),60 B.

Схема гальванического элемента будет иметь вид:

(+) Ni|Ni²⁺(1,8 M)||Cu²⁺(1,5 M)|Cu (-).

Задача 196.
Вычислить ЭДС гальванического элемета: Mn|MnSO₄||AgNO₃|Ag, если концентрация MnSО₄ равна 10 М, а AgNО₃ — 2 М.
Решение:
Серебро, потенциал которого (+0,799 В) более электроположительный, чем у марганца (-1,180 В) — катод, т. е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Ag⁺ + 1e = Ag⁰

Марганец имеет меньший потенциал (-1,180 В) является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Mn⁰ — 2e = Mn²⁺

Электродные процессы на электродах:

К(-): 2|Ag⁺ + 1e = Ag⁰
А(+): 1|Mn⁰ — 2e = Mn²⁺

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного и катодного процессов, получим:

2Ag⁺ + Mn⁰ = 2Ag⁰ + Mn²⁺

Для расчета значения потенциалов, используем уравнение Нернста:

Е = Е⁰ + (0,059/n)lgC, где

Е⁰– стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; C – концентрация ионов металла в растворе.

Тогда

Е(Ag) = +0,799 + (0,059/1)lg10 = +0,858 B.
Е(Mn) = -1,180 + (0,059/2)lg2 = -1,171 B;

Для определения ЭДС гальванического элемента необходимо из потенциала катода вычесть потенциал анода, т е. при вычислении ЭДС элемента меньший электродный потенциал вычитается из большего (в алгебраическом смысле), получим:

ЭДС = +0,858 — (-1,171) = +0,313 B.

Ответ: +0,313 B.

Задача 196.
Составьте схему медного концентрационного гальванического элемента с активностями иона Cu²⁺, равными 1 моль/л у одного электрода и 10^–3 – у другого. Рассчитайте ЭДС этого элемента при 298 К.
Решение:
а₁ = 1 моль/л;
а₂ = 1 • 10^-3 моль/л.
Таким образом, a₁ > a₂; [Cu²⁺]1 > [Cu²⁺]2; 1 моль/л > 1 • 10^-3 моль/л.

Полюсы элемента:
отрицательный — это электрод с меньшей концентрацией электролита;
положительный — электрод с большей концентрацией электролита.

Схема электродных процессов:

Катод (-): 1|Cu²⁺+ 2e = Cu²⁺ (a₂)
Анод (+): 1|Cu⁰ — 2е = Cu⁰ (a₁)

Определим потенциалы электродов:

Е₁(K) = +0,34 + (0,059/2) • lg[1 · 10-3] = +0,2515 B;
Е₂(A) = +0,34 + (0,059/2) • lg[1] = +0,34 В.

ЭДС = -0,52 — (-1,26) = +0,74 B.

Схема гальванического элемента:

К(-)Cu|Cu²⁺(10^-3 M)||Cu²⁺(1 M)|Cu(+)A

Задача 197.
Изобразите схему электродных процессов, суммарное уравнение и условную схему коррозионного элемента, возникающего при коррозии ферромарганца в растворе, с концентрацией 2•10^-3. Вычислите ЭДС коррозионного элемента.
Решение:
Железо, потенциал которого (-0,44 В) более электроположительный, чем у марганца (-1,18 В) — катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Fe²⁺ + 2e = Fe⁰

Марганец имеет меньший потенциал (-1,18 В) является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Mn⁰ — 2e = Mn²⁺

Fe²⁺ + Mn⁰ = Fe⁰ + Mn²⁺

Для расчета значения потенциалов, используем уравнение Нернста:

Е = Е⁰ + (0,059/n)lgC, где

Тогда

Е(Fe) = -0,44 + (0,059/2)lg0,002 = -0,52 B;
Е(Mg) = -1,18 + (0,059/2)lg0,002 = -1,26 B.

ЭДС = -0,52 — (-1,26) = +0,74 B.

В гальваническом элементе, в котором электродами являются два металла Fe и Mn, опущенные в растворы их солей, электроны будут перемещаться от электрода с более положительным значением стандартного потенциала к электроду с более отрицательным значением стандартного потенциала. Так как электродный потенциал железа (-0,44 B) более электроположителен чем у марганца (-1,18 B), то электроны будут перемещаться от железного электрода к марганцевому, т.е. железо будет катодом, марганец — анодом.
Тогда схема данного гальванического элемента будет иметь вид:

(-)Fe|Fe²⁺(0,002 M)||Mn²⁺(0,002 M)|Mn(+)

Можно схематично решить данную задачу так:

1. Схема электродных процессов:

Катод: Fe²⁺ + 2e = Fe⁰
Анод: Mn⁰ — 2e = Mn²⁺

2. Cуммарное уравнение процесса:

Fe²⁺ + Mn⁰ = Fe⁰ + Mn²⁺

3. ЭДС коррозионного элемента:

Е(Fe) = -0,44 + (0,059/2)lg0,002 = -0,52 B;
Е(Mg) = -1,18 + (0,059/2)lg0,002 = -1,26 B.
ЭДС = -0,52 — (-1,26) = +0,74 B.

4. Схема коррозионного элемента:

(-)Fe|Fe²⁺(0,002 M)||Mn²⁺(0,002 M)|Mn(+)

Задача 198.
1. Схема гальванического элемента : Al|Al₂(SO₄)₃||AgNO₃|Ag.
Указать анод и катод, написать электродные процессы, суммарное уравнение реакции и рассчитать электродвижущую силу элемента при 298 К, если [Al³⁺] =0,0001 моль/л, [Аg⁺] =0,1моль/л.
2. Составить схему гальванического элемента, в котором алюминий будет катодом. Написать электродные процессы, суммарное уравнение процесса.
Решение:
1). Серебро, потенциал которого (+0,80 В) более электроположительный, чем у алюминия (-1,66 В) — катод, т. е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Ag⁺ + 1e = Ag⁰

Алюминий имеет меньший потенциал (-1,66 В) является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Al⁰ — 3e = Al³⁺

Al⁰ + 3Ag⁺ = 3Ag⁰ + Al³⁺

Для расчета значения потенциалов, используем уравнение Нернста:

Е = Е⁰ + (0,059/n)lgC где

Е⁰ – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе.

Тогда

Е (Ag) = +0,80 + (0,059/1)lg0,1 = +0,74 B;
Е (Al) = -1,66 + (0,059/3)lg0,0001 = -1,74 B.

ЭДС = +0,74 — (-1,74) = +2,48 B.

2). Cхема гальванического элемента, в котором алюминий будет катодом может иметь вид:

(-)Al³⁺|Al||Mg|Mg²⁺(+)

Или

(-)AlCl₃|Al||Mg|MgCl₂(+)

Алюминий, потенциал которого (-1,66 В) более электроположительный, чем у магния (-2,38 В) — катод, т. е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Al³⁺ + 3e = Al⁰

Магний имеет меньший потенциал (-2,38 В) является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Mg⁰— 2e = Mg²⁺

Cуммарное уравнение процесса:

3Mg⁰ + 2Al³⁺ = 3Mg²⁺ + 2Al⁰

Источник

Определение полярности электродов и ЭДС гальванического элемента

Гальванопара

Электрод 1

(подложка)

Концентрация

С₁: моль/л

до 2 моль/л

Температура

T₁: К

от 273 до 373 K

Электрод 2

(покрытие)

Концентрация

С₂: моль/л

до 2 моль/л

Температура

T₂: К

от 273 до 373 K

Замечание

Катодное восстановление (выделение) магния и алюминия из водных растворов невозможно. По этой причине составление гальванической пары, в которой один из этих металлов восстанавливался бы на катоде — невозможно.

Замечание

Анодное растворение палладия и золота в растворах их простых неорганических солей невозможно из-за пассивации. По этой причине составление гальванической пары, в которой один из этих металлов служил бы анодом — невозможно.

Гальванический элемент представляет собой систему из двух электродов, погруженных в раствор своих солей.

При выборе одинаковых металлов для обоих электродов гальванический элемент рассматривается как концентрационный.

Не меняя стандартных условий возможно оценить механизм защиты, рассматривая сочетание металлов как гальванопару «подложка-покрытие».

Программа вычисляет значения равновесных потенциалов для каждого из электродов на основании введенных данных по металлам,
концентрациям, температурам по уравнению Нернста E = E₀ + [RT/(z*F)]*ln[C], определяет катодом тот электрод,
потенциал которого — больше и анодом тот — потенциал которого меньше, после чего производит расчет ЭДС как разность
потенциалов электродов ΔE = E_катода — E_анода.

Источник