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.
- Простейший гальванический элемент: схема работы
- Пластинка металла и вода: простые взаимоотношения
- Пластинка металла и раствор его соли: к чему приводит такое соседство
- Как устроен гальванический элемент Даниэля-Якоби, или Так где же все-таки электрический ток?
- Типовые задачи на схему гальванического элемента: примеры решения
- Задачи к разделу Электродные процессы, Гальванический элемент
- Как рассчитать ЭДС гальванического элемента
- Решение задач на составление схемы гальванического элемента
- 🎥 Видео
Видео:Гальванические элементы. 1 часть. 10 класс.Скачать
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 Zn 2+ . 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) Cu 2+ 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.
Видео:Составление схемы и вычисление ЭДС гальванического концентрационного элемента | Уравнение НернстаСкачать
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 Cu 2+ , 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:
3 – скачок потенциала (граница раздела фаз);
4 – электролит в анодном пространстве;
5 – электролит в катодном пространстве;
6 – граница между растворами (солевой мостик).
Или сокращенно: 
Видео:Разбор схемы гальванического элементаСкачать
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.
Видео:Электроды и гальванические элементыСкачать
Задачи к разделу Электродные процессы, Гальванический элемент
В настоящем разделе представлены типовые задачи на гальванические элементы: Определение ЭДС гальванического элемента, составление схемы гальванического элемента, определение энергии химической реакции в кДж.
Задача 1. Вычислите значение э.д.с. гальванического элемента:
(-) Mg / MgSO4 // CuSO4 / Cu (+)
Напишите процессы на аноде и катоде, реакцию, генерирующую ток, и определите в кДж энергию химической реакции, превращающуюся в электрическую.
Решение.
Дана схема гальванического элемента, из которой видно, что анодом является магний, а катодом — медь
(-) Mg / MgSO4 // CuSO4 / Cu (+)
А: Mg 0 -2e — = Mg 2+
К : Cu 2+ +2e — = Cu
Mg 0 + Cu 2+ = Mg 2+ + Cu
Вычислим ЭДС гальванического элемента:
ЭДС =0,337 + 2,37 = 2,71 В
ΔG 0 298 = -nFE = -2∙96500∙2,71 = — 523030 Дж = — 523 кДж
Задача 2. Рассчитайте ЭДС гальванического элемента, составленного из стандартного водородного электрода и свинцового электрода, погруженного в 0,01 М раствор PbCl2. На каком электроде идёт процесс окисления, а на каком — восстановление?
Решение.
В данной паре потенциал свинца имеет более отрицательное значение, поэтому анодом является свинец:
А: Pb 0 -2e — = Pb 2+
К: 2 H + +2 e — = H 2
Pb 0 + 2H + = Pb 2+ + H2
Определим электродный потенциал свинца:
E = -0,126 + (0,059/2)∙lg0,01 = -0,185 В
Вычислим ЭДС гальванического элемента:
ЭДС = 0 + 0,185 = 0,185 В
Задача 3. По уравнению токообразующей реакции составьте схему гальванического элемента:
Ni + СuSO4 = NiSO4 + Cu Напишите уравнения анодного и катодного процессов. Рассчитайте стандартную ЭДС.
Решение.
Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E 0 Ni2+/Ni и E 0 Cu2+/Cu
В данной паре потенциал никеля имеет более отрицательное значение, поэтому анодом является никель:
А: Ni 0 -2e — = Ni 2+
К: Cu 2+ +2 e — = Cu 0
Ni 0 + Cu 2+ = Ni 2+ + Cu 0
Ni 0 + CuSO4 = NiSO4 + Cu 0
Составим схему гальванического элемента:
(-) Ni 0 |NiSO4 || CuSO4|Cu 0 (+)
Рассчитаем стандартную ЭДС реакции:
ЭДС = 0,337 – (- 0,250) = 0,587 В
Задача 4. Составьте схему гальванического элемента из магния и свинца, погруженных в растворы их солей с концентрацией ионов:
[Mg 2+ ] = 0,001 моль/л, [Pb 2+ ] = 1 моль/л. Напишите уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде. Рассчитайте стандартную ЭДС этого элемента.
Решение.
Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E 0 Mg2+/Mg и E 0 Pb2+/Pb
В данной паре потенциал магния имеет более отрицательное значение и является анодом:
А: Mg 0 -2e — = Mg 2+
К: Pb 2+ +2 e — = Pb 0
Mg 0 + Pb 2+ = Mg 2+ + Pb 0
Составим схему гальванического элемента:
(-) Mg 0 |Mg 2+ || Pb 2+ |Pb 0 (+)
Применяя уравнение Нернста, найдем EPb2+/Pb и EMg2+/Mg заданной концентрации:
Рассчитаем стандартную ЭДС реакции
ЭДС = -0,126 – (-2,46) = 2,334 В
Задача 5. Как изменится (увеличится, уменьшится) или останется постоянной масса пластины из кобальта, погруженной в раствор, содержащий соли Fe (II), Mg, Ag (I). Напишите молекулярные уравнения реакций.
Решение.
Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E 0 Mg2+/Mg, E 0 Co2+/Co, E 0 Fe2+/Fe, E 0 Ag+/Ag
Протекание реакции возможно при условии, когда E 0 восст 0 ок.
В нашем случае восстановителем является кобальт и условие E 0 восст 0 ок соблюдается только для пары
Co 0 + Ag + = Co 2+ + Ag 0
Молекулярное уравнение, например:
В процессе пластина из кобальта будет растворяться, но одновременно на ее поверхности будет осаждаться серебро.
Из уравнения реакции видно, что при взаимодействии 1 моль кобальта, образуется 2 моль серебра.
Мольная масса кобальта M(Co) = 59 г/моль, мольная масса серебра M(Ag) = 108 г/моль.
Найдем массы металлов:
n = m/M, m = n∙M
m(Ag) = 2∙108 = 216 г.
Таким образом, масса осажденного серебра больше, чем масса растворенного кобальта, т.е. масса пластины из кобальта увеличится.
В случаях, когда пластина опущена в раствор соли железа или соли магния ее масса не изменится, т.к. кобальт не вытесняет эти металлы из их солей. Т.е. реакции не происходит и масса пластины остается неизменной.
Задача 6. Составьте схему гальванического элемента, уравнения полуреакций анодного и катодного процессов, молекулярное уравнение реакции, проходящей при работе гальванического элемента, анодом которого является никель. Подберите материал для катода. Рассчитайте стандартную ЭДС этого гальванического элемента.
Решение.
По условию задачи материал анода известен – никель. Электродный потенциал анода всегда имеет более отрицательное значение, т.е. анод состоит из более активного металла, чем катод.
Поэтому нам надо подобрать такой металл, значение потенциала которого, будет иметь большее значение, чем значение электродного потенциала никеля. Например, медь:
Составим уравнения полуреакций анодного и катодного процессов и молекулярное уравнение реакции, проходящей при работе гальванического элемента.
А: Ni 0 -2e — = Ni 2+
К: Cu 2+ +2 e — = Cu 0
Ni 0 + Cu 2+ = Ni 2+ + Cu 0
Ni 0 + CuSO4 = NiSO4 + Cu 0
Составим схему гальванического элемента:
(-) Ni 0 |NiSO4 || CuSO4|Cu 0 (+)
Рассчитаем стандартную ЭДС реакции
Видео:Уравнение Нернста. Задачи на расчет потенциалов. Продукты в ОВР. Ч.5-2.Скачать
Как рассчитать ЭДС гальванического элемента
Видео:Гальванические элементыСкачать
Решение задач на составление схемы гальванического элемента
Задание 251.
При каком условии будет работать гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла? Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001 М растворе, а другой такой же электрод — в 0,01 М растворе сульфата никеля. Ответ: 0,0295 В.
Решение:
Гальванический элемент, электроды которого сделаны из одного и того же металла будет работать при условии, что электроды будут опущены в растворы солей с разной концентрацией. Схема гальванического элемента, в котором один никелевый электрод находится в 0,001М растворе, а другой – в 0,01М растворе сульфата никеля имеет вид:
Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:
Е 0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе его соли (при точных вычислениях – активность).
Определим электродные потенциалы никелевых электродов при разных концентрациях ионов серебра Ni 2+ , получим:
Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода, получим:
Ответ: 0,0295 В.
Задание 252.
Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из свинцовой и магниевой пластин, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Рb 2+ ] = [Мg 2+ ] = 0,01 моль/л. Изменится ли ЭДС этого элемента, если концентрацию каждого из ионов увеличить в одинаковое число раз? Ответ: 2,244 В.
Решение:
Схема гальванического элемента
Вертикальная линейка обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две линейки — границу раздела двух жидких фаз — пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (—2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Мg 0 — 2 
= Mg 2+ (1)
Свинец, потенциал которой -0,127 В — катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:
Pb 2+ + 2 = Pb 0 (2)
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:
Mg 0 + Pb 2+ = Mg 2+ + Pb 0
Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:
Е 0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе его соли (при точных вычислениях – активность). Определим электродные потенциалы кадмия и меди при заданных концентрациях:
Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода, получим:
Если концентрацию каждого из ионов Mg 2+ и Pb 2+ увеличить в одинаковое число раз, то ЭДС гальванического элемента не изменится, так как при этом соответственно будут уменьшаться численные значения потенциалов металлов, а разница между значениями их не изменится. Например, при увеличении концентрации ионов в 100 раз концентрация их примет значения 1 моль/л, а потенциалы электродов станут равными стандартным потенциалам металлов, то ЭДС = -0,127 – (-2,37) = 2,243 В.
Ответ: 2,243 В.
Задание 253.
Составьте схемы двух гальванических элементов, в одном из которых никель является катодом, а в другом — анодом. Напишите для каждого из этих элементов электронные уравнения реакций, протекающих на катоде и на аноде.
Решение:
а) Схема гальванического элемента, в котором никель является катодом:
Вертикальная линейка обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две линейки — границу раздела двух жидких фаз — пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита). Магний имеет меньший потенциал (-2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Mg 0 — 2 = Mg 2+ (1)
Никель, потенциал которой -0,25 В — катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:
Ni 2+ + 2 = Ni 0 (2)
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:
Mg 0 + Ni 2+ = Mg 2+ + Ni 0
б) Схема гальванического элемента, в котором никель является анодом:
Никель имеет меньший потенциал (-0,25 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Ni 0 — 2 = Ni 2+ (1)
Медь, потенциал которой (+0,34 В) — катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:
Сu 2+ + 2 = Сu 0 (2)
Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного (1) и катодного (2) процессов:
Ni 0 + Cu 2+ = Ni 2+ + Cu 0
Задание 254.
Железная и серебряная пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор серной кислоты. Составьте схему данного гальванического элемента и напишите электронные уравнения процессов, происходящих на аноде и на катоде.
Решение:
Стандартные электродные потенциалы железа и серебра соответственно равны -0,44 В и +0,80 В. Исходя из того, что железо имеет более электроотрицательный потенциал, чем водород 0,00 В, то между железом и раствором серной кислоты проходит реакция (железо вытесняет водород из кислоты), и железная пластинка при этом будет уменьшаться по массе:
Исходя из того, что серебро имеет более электроположительный потенциал, чем водород, то между серебром и раствором серной кислоты реакция не проходит. Но так как железная и серебряная пластины соединены внешним проводником и погружены в раствор серной кислоты, то между ними будет проходить окислительно-восстановительный процесс, в котором железная пластина будет анодом, а серебряная – катодом.
На аноде протекает процесс:
Fe 0 → Fe 2+ + 2
На катоде серебряной пластинке будут разряжаться ионы водорода:
2Н + + 2 → Н20
(-) Fe | Fe 2+ || 2H + | H2, Ag ( + )
Задание 255.
Составьте схему, напишите электронные уравнения электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемента, состоящего из пластин кадмия и магния, опущенных в растворы своих солей с концентрацией [Мg 2+ ] = [Cd 2+ ] = 1 моль/л. Изменится ли значение ЭДС, если концентрацию каждого из ионов понизить до 0,01 моль/л? Ответ: 1,967 В.
Решение:
Магний имеет меньший потенциал (-2,37 В) и является анодом, на котором протекает окислительный процесс:
Mg 0 — 2 = Mg 2+ (1)
Кадмий, потенциал которой (-0,403 В) — катод, т.е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:
Cd 2+ + 2 = Cd 0 (2)
Электродный потенциал металла (Е) зависит от концентрации его ионов в растворе. Эта зависимость выражается уравнением Нернста:
Е 0 – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе его соли (при точных вычислениях – активность). Определим электродные потенциалы кадмия и меди при заданных концентрациях:
Для определения ЭДС гальванического элемента из потенциала катода следует вычесть потенциал анода, получим:
Рассчитаем электродные потенциалы магния и кадмия при концентрации их ионов в растворе равной 0,01 моль/л:
Таким образом, ЭДС гальванического элемента при равном уменьшении концентрации ионов металлов в их растворах не изменяется.
🎥 Видео
Электрохимия. Гальванический элемент Даниэля-ЯкобиСкачать
Гальванический элементСкачать
Гальванические элементы. 2 часть. 10 класс.Скачать
Гальванический элементСкачать
Гальванические элементы. Практическая часть. 10 класс.Скачать
Задачи на гальванический элемент. Продукты в ОВР. Ч.5-4.Скачать
Гальванические элементы. 10 класс.Скачать
Электродные потенциалы металлов. Электроды сравненияСкачать
Электрохимический ряд потенциалов. 1 часть. 10 класс.Скачать
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТСкачать
Лабораторная работа "Гальванический элемент"Скачать
Использование таблиц потенциалов и расчет ЭДС реакции. Продукты в ОВР. Ч.5-1.Скачать
Уравнение Нернста. Условия изменения направления ОВР. Продукты в ОВР. Ч.5-3.Скачать
