Электрохимическая цепь как составить

Электрохимические цепи

Различают два основных вида электрохимических цепей – химические и концентрационные.

В химических цепях источником электрического тока является протекающая в системе окислительно–восстановительная химическая реакция.

Многие химические реакции являются окислительно-восстановительными. Например, при погружении цинковой пластинки в раствор сульфата меди самопроизвольно протекает реакция

в результате, которой атомы цинка окисляются, а ионы меди восстанавливаются. При таком проведении процесса энергия химической реакции превращается в тепловую энергию, но если провести процессы окисления и восстановления раздельно и осуществить передачу электронов через внешнюю цепь, можно использовать энергию химической реакции для совершения работы. В этом случае электрохимическая цепь действует как источник тока.

Гальваническими элементами ГЭ называются электрохимические цепи, в которые дают возможность получать ток за счет самопроизвольно протекающих в обычных условиях химических реакций.

Элемент (или устройство), в котором энергия химической реакции преобразуется в электрическую называется гальваническим элементом.

ГЭ состоит как минимум из 2-х электродов; на одном из которых всегда идет процесс окисления (отрицательный электрод, анод), а на другом – процесс восстановления (положительный электрод, катод).

Одним из наиболее простых гальванических элементов является элемент Даниэля-Якоби, состоящий из двух электродов – цинкового и медного, погруженных в соответствующие растворы сульфатов цинка и меди, и соединенных солевым агар-агаровым мостиком.

Для устранения диффузионного потенциала растворы соединяют электролитическим мостиком, который представляет собой изогнутую стеклянную трубку наполненную насыщенным раствором электролита (например КСl), у которого подвижности К + и А — приблизительно равны. Агар-агар используют для того, чтобы удержать электролит в трубке.

Цинковый электрод по отношению к медному заряжается отрицательно. При замыкании внешней цепи цинк растворяется, происходит реакция окисления:

а на медном электроде — восстановления:

Движение потока электронов по проводнику – это и есть электрический ток.

Общий процесс является суммой процессов, протекающих на отдельных электродах:

Для ГЭ принята следующая форма записи электрохимической цепи:

· Cлева записывается электрод имеющий более отрицательный потенциал (анод),

· справа – электрод, имеющий более положительное значение потенциала (катод).

· по краям цепей записываются Ме (материал электрода). Вертикальная линия обозначает границу раздела фаз Ме – раствор. Растворы обоих электродов отделяются двумя сплошными линиями, обозначающими отсутствие диффузионного потенциала (Δφдиф = 0).

Электродные полуреакции принято записывать как реакции восстановления. Поэтому общая реакция в ГЭ записывается как разность между реакциями на правом и левом электродах: слева записываются вещества в окисленной форме и электроны, справа – вещества в восстановленной форме.

Правый электрод: Cu 2+ + 2ē → Cuº.

Левый электрод: Zn 2+. + 2ē → Znº

Общая реакция: Znº + Cu 2+ → Zn 2+ + Cuº.

Важной характеристикой ГЭ является его электродвижущая сила (ЭДС). Электродвижущая сила элемента равна разности потенциалов на концах правильно разомкнутой равновесной цепи. ЭДС обозначают E, которую рассчитывают по формуле:

где Е₊ и Е_– — потенциал положительного и отрицательного электродов соответственно.

Е о = Е о ₊ – Е о _–,

где Е о ₊ и Е о _– — стандартный потенциал положительного и отрицательного электродов соответственно

Электрохимическая цепь называется правильно разомкнутой, если она начинается и заканчивается одним и тем же металлом. В системе СИ ЭДС измеряется в вольтах.

ЭДС всегда положительна, поскольку она соответствует определенному самопроизвольно протекающему процессу, дающему положительную работу. ЭДС цепи отражает все процессы, происходящие на границе раздела фаз в равновесной цепи.

Для гальванического элемента Даниэля – Якоби ЭДС равна:

Согласно уравнению Нернста

Вычитая второе уравнение из первого, получим выражение для ЭДС медно-цинкового гальванического элемента:

, z=2

Для любого другого элемента, в основе работы которого лежит химическая реакция, ЭДС может быть вычислена по уравнению:

,

E o ₁ и E o ₂ – стандартные потенциалы электродов;

z₁ z₂ – зарядовые числа ионов;

a₁ a₂ – активности ионов в растворе.

Записать схему цепи, составленной из цинкового и хлорсеребряного электродов. Определить стандартную ЭДС цепи.

Выпишем из справочника электродные полуреакции (потенциалопределяющие) и стандартные потенциалы электродов:

Zn 2+. + 2ē → Znº E o Zn2+/Zn = –0,763 B AgCl + e = Agº + Cl – E o Сl ̅ / AgCl, Ag = 0,222 B

Стандартная ЭДС рассчитывается по Е о = Е о ₊ – Е о _–.

Положительным в цепи будет тот электрод, который имеет больший условный потенциал. Положительным будет хлорсеребряный электрод, отрицательным – цинковый.

Е о = E o Сl ̅ / AgCl, Ag – E o Zn2+/Zn = 0,222 – (–0,763) = 0,985 В.

Схема цепи Zn | Zn 2+ | | Сl ̅ | AgCl, Ag

Реакции в гальваническом элементе:

2AgCl + Zn = 2Ag +2 Cl – + Zn 2+

Концентрационные цепи состоят из одинаковых электродов, но отличаются концентрацией веществ, участвующих в окислительно-восстановительных процессах. При этом электрическая энергия возникает за счет выравнивания концентраций веществ в элементе. Концентрационные цепи могут быть без переноса ионов и с переносом ионов.

Концентрационными цепями без переноса ионов называются гальванические элементы:

а) с одинаковыми электродами и двумя одинаковыми по природе, но разными по концентрации растворами электролитов, причем между растворами отсутствует непосредственное соприкосновение:

б) с электродами из двух сплавов (амальгам), одинаковых по природе, но разных по концентрации (с одним раствором электролита):

в) с газовыми электродами, одинаковыми по природе, но с разным давлением газа на электродах (с одним раствором электролита)

Электрическая работа концентрационной цепи равна работе выравнивания активностей потенциалопределяющих ионов в растворах у электродов. В соответствии с этим ЭДС цепи будет

Аналогичные уравнения справедливы для расчета ЭДС концентрационных цепей с амальгамными и газовыми электродами. Для амальгамных цепей

для цепей с газовыми электродами

Электроду с более высоким значением активности металла в амальгаме или парциального давления водорода соответствует более отрицательный потенциал, поэтому для этих систем а₁> а₂ и р₁> р₂.

Концентрационными цепями с переносом ионов называются элементы с одинаковыми электродами и двумя одинаковыми по природе, но разными по концентрации растворами электролитов, причем между растворами имеется непосредственная граница соприкосновения.

Примером концентрационного элемента с переносом может быть цепь, состоящая из двух медных электродов, отличающихся концентрацией растворов CuSO₄:

Поскольку для электродов первого рода, обратимых относительно катиона, потенциал тем больше, чем выше активность ионов в растворе, положительным в приведенной цепи будет электрод с большей активностью а₁

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Источник