Схема гальванического элемента: Задачи к разделу Электродные процессы, Гальванический элемент

Содержание

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 / MgSO// CuSO4 / Cu (+)

Напишите процессы на аноде и катоде, реакцию, генерирующую ток, и определите в кДж энергию химической реакции, превращающуюся в электрическую.

Показать решение »

Решение.

Дана схема гальванического элемента, из которой видно, что анодом является магний, а катодом — медь

(-) Mg /  MgSO// CuSO4 / Cu (+)

А: Mg0 -2e = Mg2+

К: Cu2+ +2e = Cu

Mg0 + Cu2+ = Mg2+ + Cu

Mg + CuSO4 = MgSO4 + Cu

 

Вычислим ЭДС гальванического элемента:

ЭДС = E0кат — E0ан = E0Cu2+/Cu — E0Mg2+/Mg

E0Cu2+/Cu = +0,337 В

E0Mg2+/Mg = -2,37 В

ЭДС =0,337 + 2,37 = 2,71 В

 

Определим энергию химической реакции:

ΔG0298 = -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?

Показать решение »

Решение.

E02H+/h3 = 0,00 В

E0Pb2+/Pb = -0,126 В

 

В данной паре потенциал свинца имеет более отрицательное значение, поэтому анодом является свинец:

А: Pb0 -2e = Pb2+

К: 2H+ +2e = H2

Pb0 + 2H+= Pb2+ + H2

 

Определим электродный потенциал свинца:

E = + (0,059/n)lgC

E = -0,126 + (0,059/2)∙lg0,01 = -0,185 В

 

Вычислим ЭДС гальванического элемента:

ЭДС = E0кат — E0ан = E02H+/h3 — E0Pb2+/Pb

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.

Показать решение »

Решение.

Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E0Ni2+/Ni и E0Cu2+/Cu

E0Ni2+/Ni = -0,250 В

E0Cu2+/Cu = +0,337 В

 

В данной паре потенциал никеля имеет более отрицательное значение, поэтому анодом является никель:

А: Ni0 -2e = Ni2+

К: Cu2+ +2e = Cu0

Ni0 + Cu2+ = Ni2+ + Cu0

Ni0 + CuSO4 = NiSO4 + Cu0

 

Составим схему гальванического элемента:

(-) Ni0|NiSO4 || CuSO4|Cu0 (+)

Рассчитаем стандартную ЭДС реакции:

ЭДС = E0кат — E0ан = E0Cu2+/Cu — E0Ni2+/Ni

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:

[Mg2+] = 0,001 моль/л, [Pb2+] = 1 моль/л. Напишите уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде. Рассчитайте стандартную ЭДС этого элемента.

Показать решение »

Решение.

Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E0Mg2+/Mg и E0Pb2+/Pb

E0Mg2+/Mg = -2,37 В

E0Pb2+/Pb = -0,126 В

 

В данной паре потенциал магния имеет более отрицательное значение и является анодом:

А: Mg0 -2e = Mg2+

К: Pb2+ +2e = Pb0

Mg0 + Pb2+ = Mg2+ + Pb0

Составим схему гальванического элемента:

(-) Mg0|Mg2+ || Pb2+|Pb0 (+)

Применяя уравнение Нернста, найдем EPb2+/Pb и EMg2+/Mg заданной концентрации:

E = + (0,059/n)lgC

EMg2+/Mg = -2,37 + (0,059/2)lg0,001 = -2,46 В

EPb2+/Pb = -0,126 + (0,059/2)lg1 = -0,126 В

 

Рассчитаем стандартную ЭДС реакции

ЭДС = Eкат — Eан = EPb2+/Pb — EMg2+/Mg

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.

Показать решение »

Решение.

Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E0Mg2+/Mg, E0Co2+/Co, E0Fe2+/Fe, E0Ag+/Ag

E0Mg2+/Mg = -2,37 В

E0Fe2+/Fe = -0,440 B

E0Co2+/Co = -0,277 B

E0Ag+/Ag = +0,799 B

 

Протекание реакции возможно при условии, когда E0восст < E0ок.

В нашем случае восстановителем является кобальт и условие E0восст < E0ок соблюдается только для пары

Co – Ag.

Co0 + Ag+ = Co2+ + Ag0

 

Молекулярное уравнение, например:

Co0 + 2AgNO3 = Co(NO3)2 + 2Ag0

 

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(Co) = 1∙59 = 59 г

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.

Показать решение »

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:

E0Ni2+/Ni = -0,250 В

E0Cu2+/Cu = +0,337 В

 

Составим уравнения полуреакций анодного и катодного процессов и молекулярное уравнение реакции, проходящей при работе гальванического элемента.

А: Ni0 -2e = Ni2+

К: Cu2+ +2e = Cu0

Ni0 + Cu2+ = Ni2+ + Cu0

Ni0 + CuSO4 = NiSO4 + Cu0

 

Составим схему гальванического элемента:

(-) Ni0|NiSO4 || CuSO4|Cu0 (+)

Рассчитаем стандартную ЭДС реакции

ЭДС = E0кат — E0ан = E0Cu2+/Cu — E0Ni2+/Ni

ЭДС = 0,337 – (- 0,250) = 0,587 В

 

Гальванический элемент. Схема гальванического элемента. Токообразующая реакция. Эдс гальванического элемента

Самопроизвольно идущий окислительно-восстановительный процесс в определенных условиях может создавать электрическую энергию. Процессы превращения химической энергии в электрическую можно использовать для создания химических источников тока (ХИТ), простейший из которых гальванический элемент.

Гальванический элемент состоит из двух электродов, погруженных в электролиты, которые замыкаются электролитическим ключом.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОДОВ

Металлический электрод — это металл, погруженный в раствор собственной соли, не является инертным, а участвует в электродной реакции. Cхематично такой электрод записывают в виде Ме|Меn+, где вертикальная черта обозначает границу между металлом и раствором. Уравнение Нернста для металлических электродов имеет вид

,(4)

где — концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Окислительно-восстановительный (редокс-) электрод – это инертный металл (токоподвод), погруженный в электролит, содержащий одновременно окисленную и восстановленную формы потенциалопределяющих частиц. В качестве инертного металла чаще всего используют платину Pt. Схематично такой электрод можно записать в виде Pt│Men+, Mem+. На поверхности инертного металла протекает окислительно-восстановительная реакция. Например, для окислительно-восстановительного электрода Pt│Sn4+, Sn2+ такими реакциями могут быть: Sn2+ — 2 ē → Sn4+; Sn4+ + 2 ē → Sn2+

Уравнение Нернста для редокс- систем включает концентрацию обоих катионов и имеет вид

(5)

где [окисл], [восст] – концентрации окисленной и восстановленной форм потенциалопределяющих частиц в полуреакции.

19

Газовые электроды состоят из инертного металла, который находится в одновременном контакте с газом и раствором, содержащим ионы этого газа. Представителями газовых электродов являются водородный, кислородный, хлорный и другие электроды.

Водородный электрод состоит из платиновой пластинки, покрытой слоем мелкодисперсной платины («платиновой черни») и погруженной в раствор кислоты, содержащий ионы водорода. Через раствор непрерывно пропускается поток водорода, водород адсорбируется на поверхности платины, и на границе электрод/раствор устанавливается равновесие:

H+(раствор) + ē ↔ ½ H2(г) .

При давлении водорода, равном 101,3 кПа (1 атм), активности (концентрации) ионов водорода 1 моль/л и

Т=298К водородный электрод называется стандартным водородным электродом. Потенциал такого электрода принимается за ноль.

Уравнение Нернста для водородного электрода имеет вид

, (6)

где — стандартный электродный потенциал,

— концентрация ионов водорода в растворе, моль/л

-парциальное давление водорода над раствором, атм. равно 1 атм.

Рассмотрим работу гальванического элемента на примере элемента Даниэля-Якоби. Он представляет собой два сосуда с 1М растворами CuSO4 и ZnSO4, в которые погружены соответственно медная и цинковая пластинки, соединенные проводом. Сосуды соединены между собой трубкой, которая называется солевым мостиком, заполненной раствором электролита (например, KCl). Солевой мостик является электролитическим ключом.

Электрод с меньшим значением потенциала заряжается отрицательно, является анодом. Электрод с большим значением потенциала заряжается положительно, является катодом. На аноде протекает процесс окисления

(отдача электронов), на катоде – процесс восстановления (присоединение электронов).

20

Гальванические элементы принято записывать в виде схем. Анод со знаком (-) записывают слева, катод со знаком (+) записывают справа. Например, схема медно-цинкового гальванического элемента Даниэля-Якоби может быть представлена таким образом:

ē ē

(-) Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu (+) или (-) Zn|Zn2+||Cu2+|Cu (+)

Одна вертикальная черта на схеме обозначает границу между металлом и раствором электролита, две черты – границу между растворами (солевой мостик).

При замыкании цепи электроны по внешней цепи пойдут от анода к катоду – от цинка к меди. При этом на электродах протекают следующие реакции:

(-) Анод: Zn – 2 ē → Zn2+ реакция окисления

(+) Катод: Cu2+ + 2 ē →Cu реакция восстановления

Суммируя процессы на катоде и аноде, получаем уравнение окислительно-восстановительной реакции, за счет которой в гальваническом элементе возникает электрический ток:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu

Такое уравнение называется уравнением токообразующей реакции.

ЭДС гальванического элемента рассчитывают как разность потенциалов катода и анода: Е = Ек Еа.

Если концентрация ионов в растворе составляет 1 моль/л, то ЭДС называется стандартной. Стандартная ЭДС медно-цинкового элемента при

Пример 7. Рассчитайте ЭДС свинцово-цинкового гальванического элемента при Т = 298К, в котором [Zn2+]=0,1моль/л и [Pb2+]=0,01моль/л. Укажите знаки полюсов, напишите уравнения электродных процессов, составьте схему гальванического элемента. Укажите направление движения электронов при замыкании цепи.

Решение: ЭДС гальванического элемента рассчитывают как разность

21

равновесных потенциалов катода и анода: Е= Ек Еа.

Поскольку концентрации потенциалопределяющих ионов отличаются от 1 моль/л, рассчитаем по уравнению Нернста (ур. 4) значения электродных потенциалов цинка и свинца:

Электрод с меньшим значением потенциала является анодом (цинковый электрод). На нем протекает реакция окисления:

(-) А: Zn – 2 ē → Zn2+

Электрод с большим значением потенциала является катодом (свинцовый электрод), на нем протекает реакция восстановления:

(+) К: Pb2+ + 2 ē → Pb

Уравнение токообразующей реакции: Zn + Pb2+ → Zn2+ + Pb.

Схема гальванического элемента: (-) Zn│Zn2+(0,1M)║Pb2+(0,01M)│Pb (+).

Рассчитываем ЭДС гальванического элемента:

Е= Ек Еа =

При замыкании цепи, электроны во внешней цепи пойдут от отрицательно заряженного электрода к положительно заряженному электроду, то есть — от цинка к свинцу.

Пример 8. Для гальванического элемента

Pt│Cr3+ (0,1 моль/л), Cr2+(0,01 моль/л)║Н+(рН=2)│Н2, Pt

рассчитать ЭДС, написать уравнения электродных процессов, составить уравнение токообразующей реакции, указать знаки полюсов. Определить направление движения электронов во внешней цепи.

Решение: данный гальванический элемент составлен из окислительно-

восстановительного и водородного электродов.

Потенциал окислительно-восстановительного электрода рассчитываем по уравнению Нернста:

22

Стандартный потенциал пары Сr3+/Cr2+. Подставив данные условия задачи, рассчитаем потенциал окислительно-восстановительного электрода:

.

Второй электрод данного гальванического элемента является водородным электродом. Потенциал его, согласно уравнению Нернста:

Определяем катод и анод. Поскольку окислительно-восстановительный электрод имеет меньший потенциал, то в гальваническом элементе он будет играть роль анода (отрицательный полюс), а водородный электрод – катода (положительный полюс). После замыкания цепи на первом электроде будет протекать анодный процесс окисления, на втором – катодный процесс восстановления:

(-) А : Cr2+ ē → Cr3+ 2

(+) К: 2 Н+ + 2 ē → Н2

Суммарная токообразующая реакция описывается уравнением

2 Cr2+ + 2 Н+ → 2 Cr3+ + Н2

Электроны при замыкании внешней цепи будут двигаться от отрицательного полюса к положительному: от хромового окислительно-восстановительного электрода к водородному.

ЭДС данного элемента

Пример 9. Какие процессы протекают на электродах в концентрационном гальваническом элементе, имеющем цинковые электроды, если у одного из электродов концентрация ионов цинка Zn2+ равна 1 моль/л, а у другого –

0,0001 моль/л? Какова ЭДС этого элемента? Напишите схему данного ГЭ.

Решение: Концентрационный гальванический элемент состоит из одинаковых электродов, погруженных в растворы своих солей различной концентрации. Определим потенциалы обоих электродов. Так как концентрация ионов цинка

23

у первого электрода равна 1 моль/л, то потенциал его будет равен стандартному потенциалу цинкового электрода: .

Потенциал второго электрода рассчитаем по уравнению Нернста:

Первый электрод является катодом, на нем после замыкания цепи протекает реакция восстановления (+) К: Zn2+ + 2 ē →Zn

Второй электрод, имеющий меньший потенциал, будет анодом, на нем протекает реакция окисления: (-) А: Zn — 2 ē →Zn2+

Токообразующая реакция в гальваническом элементе будет иметь вид:

Zn + Zn2+→ Zn + Zn2+

Рассчитываем ЭДС элемента: Е = Ек Еа = — 0,763 –(-0,881) = 0,122 В.

Данный гальванический элемент можно отобразить схемой:

(-) Zn│Zn2+(0,0001 моль/л)║Zn2+(1 моль/л)│Zn (+)

Гальванический элемент | Химическая энциклопедия

Кроме электролиза, возможен еще один вариант протекания окислительно- восстановительной реакции. В этом случае электроны от восстановителя к окис­лителю переходят по металлическому проводнику через внешнюю электрическую цепь. В результате во внешней цепи возникает электрический ток, и такое устрой­ство называют гальваническим элементом. Гальванические элементы являются химическими источниками тока — устройствами для прямого преобразования химической энергии в электрическую, минуя другие ее формы.
Гальванические элементы на основе различных металлов и их соединений на­шли широкое практическое применение как химические источники тока.

Гальванический элемент

В гальваническом элементе химическая энергия преобразуется в электриче­скую. Простейший гальванический элемент представляет собой два сосуда с рас­творами CuSO4 и ZnSO4, в которые погружены соответственно медная и цинковая пластинки. Сосуды соединены между собой трубкой, которая называется солевым мостиком, заполненной раствором электролита (например, KCl). Такая система на­зывается медно-цинковым гальваническим элементом.

Схематически процессы, протекающие в медно-цинковом гальваническом эле­менте или же, другими словами, схема гальванического элемента, представлена на рисунке ниже.

Схема гальванического элемента

На аноде протекает процесс окисления цинка:

Zn — 2е = Zn2+.

В результате этого атомы цинка превращаются в ионы, которые переходят в раствор, а цинковый анод растворяется, и его масса уменьшается. Обратите вни­мание, что анод в гальваническом элементе является отрицательным электродом (за счет электронов, полученных от атомов цинка) в отличие от процесса элек­тролиза, где он подключается к положительном полюсу внешней батареи.

Электроны от атомов цинка по внешней электрической цепи (металлическому проводнику) движутся к катоду, где протекает процесс восстановления ионов меди из раствора ее соли:

Cu2+ + 2е = Cu.

В результате этого образуются атомы меди, которые осаждаются на поверх­ности катода, и его масса увеличивается. Катодом в гальваническом элементе яв­ляется положительно заряженный электрод.

Суммарное уравнение реакции, протекающей в медно-цинковом гальваниче­ском элементе, можно представить так:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu.

Фактически протекает реакция замещения меди цинком в ее соли. Эту же ре­акцию можно осуществить и иным способом — погрузить цинковую пластинку в раствор CuSO4. При этом образуются те же самые продукты — медь и ионы цин­ка. Но отличие реакции в медно-цинковом гальваническом элементе в том, что про­цессы отдачи и присоединения электронов пространственно разделены. Процессы отдачи (окисление) и присоединения (восстановление) электронов происходят не при непосредственном контакте атома Zn с ионом Сu2+, а в разных местах систе­мы — соответственно на аноде и на катоде, которые соединены металлическим про­водником. При таком способе проведения этой реакции электроны перемещаются от анода к катоду по внешней цепи, представляющей собой металлический про­водник. Направленный и упорядоченный поток заряженных частиц (в данном случае электронов) и есть электрический ток. Во внешней цепи гальванического элемента возникает электрический ток. Вам необходимо включить JavaScript, чтобы проголосовать

Методические материалы

Методические материалы

Гальванический элемент

    Гальванический элемент (химический источник тока) – устройство, которое позволяет превращать энергию химической реакции в электрическую работу. По принципу работы различают первичные (разовые), вторичные (аккумуляторы) и топливные элементы. Гальванический элемент состоит из ионпроводящего электролита и двух разнородных электродов (полуэлементов), процессы окисления и восстановления в гальваническом элементе пространственно разделены. Положительный полюс гальванического элемента называется катодом, отрицательный — анодом. Электроны выходят из элемента через анод и движутся во внешней цепи к катоду.

    Правила записи: слева располагается электрод, имеющий более отрицательный потенциал (анод), справа — катод; растворы отделяются вертикальной пунктирной линией, если они контактируют друг с другом, и двумя вертикальными линиями, если между ними находится солевой мостик; одна вертикальная линия означает границу раздела фаз, вертикальная пунктирная линия — мембрана.

Медно-цинковый элемент.

Медно-цинковый элемент (элемент Даниэля) состоит из двух полуэлементов (или электродов): I — цинковая пластинка погружена в раствор ZnSO4, II — медная пластинка — в раствор CuSO4. Полуэлементы соединены ионным мостиком III.

При замыкании внешней цепи IV на аноде происходит окисление цинка:

Zn — 2е = Zn2+

На катоде — восстановление ионов меди:

Cu2+ + 2е = Cu

За счет окислительно-восстановительной реакции по внешней цепи течет поток электронов от цинкового электрода к медному, а по ионному мостику движутся сульфат-ионы. Цинковый электрод постепенно растворяется, на медном выделяется металлическая медь. Схеме элемента запишется так:

анод(-)   ZnZnSO4 CuSO4Cu    катод(+) Электродвижущая сила гальванического элемента

Полная схема гальванического элемента с учетом внешней цепи, состоящей, например, из медного провдника, будет:

анод(-)   CuZnZnSO4 CuSO4Cu    катод(+)

На каждой межфазной границе существует скачок электрического потенциала. Это контактный потенциал в месте сопрокосновения меди и цинка к, абсолютные электродные потенциалы Zn и Cu на границе металл-раствор, диффузионный потенциал Д на границе, разделяющей растворы. Применение ионного мостика делает диффузионный потенциал пренебрежимо малым и его можно считать равным нулю. Если отсчитывать абсолютный электродный потенциал, полагая положительным переход от раствора к металлу, то для электродвижущей силы ЭДС данного гальванического элемента можно написать равенство:

Е = CuZn + к

а для гальванического элемента, сожержащего металлы 1 и 2:

Е = 12 + 12 Электродные потенциалы

Абсолютные электродные потенциалы определить очень трудно. Но, т.к. абсолютные электродные потенциалы входят в выражение для ЭДС с разными знаками, то их можно заменить величинами, отличающимися от них постоянными слагаемыми. Вместо абсолютного скачка потенциала на границе металл-раствор удобно использовать ЭДС элемента, состоящего из данного электрода и другого электрода, который во всех случаях должен быть одним и тем же. В качестве такого электрода сравнения принят стандартный водородный электрод.

    Электродным потенциалом называется величина, равная ЭДС гальванического элемента, составленного из данного электрода и стандартного водородного электрода.

   ЭДС электрохимического элемента равна разности электродных потенциалов:

Е = 12

Электродный потенциал электрода считается положительным, если в гальваническом элементе со стандартным водородным электродом данный электрод является катодом, и отрицательным — если анодом.

Назад


Схема гальванического элемента | Химик.ПРО – решение задач по химии бесплатно

Свинцовую и цинковую пластины опустили в раствор нитрата серебра. Составьте уравнения реакций, происходящих на этих пластинах. Какие процессы будут проходить на пластинах, если наружные концы их соединить проводником? Напишите схему гальванического элемента.


Решение задачи

Запишем уравнения химических реакций, происходящих на пластинах.

Свинцовая пластина:

Pb0 – 2e– → Pb2+

Ag+ + e– → Ag+

Цинковая пластина:

Zn0 – 2e– → Zn2+

Ag+ + e– → Ag0

Если наружные концы пластин соединить проводником, образуется гальванический элемент.

Гальванический элемент (ГЭ) – это устройство, в котором энергия химической реакции превращается в электрическую. В основе работы гальванического элемента лежит ОВР.

Составим схему гальванического элемента:

Zn │Zn(NO3)2 ║ Pb(NO3)2 │Pb

Сравним стандартные электродные потенциалы цинка (Zn) и свинца (Pb):

E0(Zn2+/Zn0) = – 0,76 В,

E0(Pb 2+/ Pb 0) = – 0,13 В.

Цинк (Zn) – металл, имеющий более отрицательное значение стандартного электродного потенциала и поэтому является более сильным восстановителем. Следовательно, цинк (Zn) будет подвергаться окислению под действием ионов свинца (Pb), и электроны от цинка (Zn) будут переходить к свинцу(Pb):

Таким образом, Zn – анод (А) и Zn – восстановитель, Pb – катод.

(–) Zn │Zn(NO3)2 ║ Pb(NO3)2 │Pb (+)

Электроны двигаются от цинка к свинцу. Схема гальванического элемента
Запишем электронные уравнения процессов, протекающих на электродах на пластинах, и составим суммарное уравнение:

(-) (А) Zn0 – 2e– → Zn2+        – процесс окисления

(+) (K)   Ag+ + e– → Ag0          – процесс восстановления

Схема гальванического элемента

Вывод:

при замыкании пластин цинковая пластина растворяется, а на свинцовой пластине осаждается серебро.

Гальванический элемент схема — Справочник химика 21


    Превращение химической энергии в электрическую возможно при помощи электрохимического (гальванического) элемента, примером которого может служить элемент Якоби — Даниэля, состоящий из цинкового и медного электродов, опущенных соответственно в растворы сульфатов цинка и меди, разделенные пористой диафрагмой во избежание их перемешивания (см. рис. 75). Схема электрохимической цепи элемента Якоби —Даниэля записывается следующим образом  [c.269]     Составить схемы двух гальванических элементов, в одном из которых медь служила бы катодом, а в другом — анодом. Написать уравнения реакций, происходящих при работе этих элементов, и вычислить значения стандартных э. д. с. [c.182]

    Взяв в качестве электрода цинк и соединив его е водородным электродом, получим гальванический элемент, схема которого запишется следующим образом  [c.329]

    Указать направление движения электронов во внешней цепи гальванических элементов, схемы которых приведены ниже  [c.199]

    При схематическом изображении гальванического элемента граница раздела между металлом и раствором обозначается вертикальной чертой, граница между растворами электролитов — двойной вертикальной чертой. Например, схема гальванического элемента, в [c.176]

    Пример 1. Гальванический элемент состоит из металлического цннка, погруженного в О, М раствор нитрата цинка, и металлического свинца, погруженного в 0,02 М раствор нитрата свинца. Вычислить э. д. с. элемента, написать уравнения электродных процессов, составить схему элемента. [c.180]

    Гальванический элемент. Энергия, освобождающаяся при химических реакциях, может выделяться в форме электричества. Прибор, в котором для получения электрической энергии осуществляют химические реакции, называется гальваническим элементом. Схема простейшего гальванического элемента представлена на рис. 16. Эту схему можно изобразить и так  [c.97]

    Схема гальванического элемента,  [c.121]

    Способность веществ принимать или отдавать электроны измеряется их окис лите льно-восстановительным потенциалом. Его величина определяется экспериментально с помощью схемы гальванического элемента. Схема простейшего гальванического элемента показана на рис. 3. Прямоугольный сосуд разделен на две ячейки полупроницаемой перегородкой. В ячейки опущены электроды — платиновые пластинки, соединенные вне сосуда проводником. [c.33]

    Если системы (13,2) и (13.3) объединить в одну,соединив цинковую и медную пластины металлическим проводником с электронной проводимостью, а растворы гпЗО и СиЗО —электролитическим проводником с ионной проводимостью, то получится замкнутая неравновесная система— гальванический элемент, схема которого приведена на рис. 13.1. Поскольку потенциалы электродов различны, по соединяющему их металлическому проводнику (II) перемещается поток электронов—электрический ток. Для восстановления равновесного потенциала цинкового электрода цинк должен переходить в раствор. Увеличение же отрицательности потенциала медного электрода за счет переместившихся электронов повлечет разрядку части ионов и выделение из раствора металлической меди на медном электроде. В результате около цинкового электрода электролит приобретает избыточное число положительно заряженных ионов по сравнению с исходным, а около медного электрода образуется недостаток ионов 50 -. Результатом различия заряда ионных растворов будет ионный [c.141]

    Схема рассматриваемого гальванического элемента имеет следующий вид  [c.181]

    Величина окислительно-восстановительного потенциала измеряется электрохимическим способом в гальваническом элементе, схема которого изображена на рис. I. [c.46]


    Интенсивность присоединения или отдачи электронов различ-ны.ми веществами измеряется так называемым окислительно-восстановительным потенциалом . Чем больще его значение, тем сильнее окислительные свойства вещества и, наоборот, чем меньше значение потенциала, тем окислитель слабее. Окислительно-восстановительный потенциал измеряют электрохимическим способом в гальваническом элементе, схема которого изображена на рис. 20. [c.85]

    Обмен электронами электрохимическим способом происходит в гальваническом элементе, схема которого показана на рис. 9. [c.169]

    Интенсивность присоединения или отдачи электронов различными веществами измеряется так называемым о/сис-лительно-восстановительным потенциалом. Чем больше его величина, тем сильнее окислительные свойства вещества и, наоборот, чем меньше величина потенциала, тем окислитель слабее. Окислительно-восстановительный потенциал измеряется электрохимическим способом в гальваническом элементе, схема которого изображена на рис. И. Элемент состоит из двух ячеек / и 2, разделенных диафрагмой, пропускающей ток, но препятствующей смешиванию находящихся в ячейках растворов. По одну сторону диафрагмы наливают раствор окислителя, по другую — восстановителя. В растворы опускают твердые электроды 3 п 4, которые не взаимодействуют с окружающей средой. Эти электроды называются индифферентными они бывают платиновыми или золотыми. Электроды соединены друг с другом вне раствора металлической проволокой. [c.88]

    На рис. 68 представлена схема коррозии железа с включением меди. Электрохимическая система этой гальванопары в электролите Н2504 изображается, как и в случае гальванического элемента, схемой Ре Н2504 Си железо — анод, медь — катод  [c.224]

    Схема гальванического элемента [c.223]

    Последовательность выполнения работы. В стакан налить 5 мл раствора соли двухвалентного металла, разбавить водой до 50 мл и погрузить в раствор стеклянный электрод. Шарик стеклянного электрода должен быть полностью погружен в исследуемую жидкость. Затем соединить стеклянный электрод с каломельным электродом и собранный гальванический элемент включить в потенциометрическую схему (ламповый потенциометр ЛП-5). Из бюретки (на 25 мл) при непрерывном помешивании (магнитная мешалка) добавлять в стакан ио [c.315]

    При измерений э. д. с. гальванических элементов по методу компенсации в схему кроме батареи [c.95]

    Схема этого гальванического элемента может быть изображена так  [c.191]

    Определение потенциала отдельного электрода производят, как это описано выше, путем измерения разности потенциалов гальванического элемента, составленного из электрода сравнения с точно известным и постоянным значением потенциала и электрода, потенциал которого определяется. При измерении потенциалов через измеряемую цепь не должен проходить электрический ток. Это реализуется в компенсационной электрической схеме, на которой основано действие всех потенциометров. [c.28]

    Рассчитайте ЭДС и напишите схему гальванического элемента, в котором обратимо протекает реакция по уравнению [c.319]

    При > а,,. схема гальванического элемента имеет следующий [c.127]

    Риа. 5. Схема работы гальванического элемента [c.36]

    Рассмотрим гальванический элемент, в котором один из компонентов пары окислитель — восстановитель — металл. Погрузим пластинку из металлического цинка в раствор ZnS04, а медную — в раствор USO4. Система Zn VZn и система u V u образуют две сопряженных пары окислитель — восстановитель, т. е. два электрода. Соединив их мостиком из раствора какой-либо соли, например КС1, который особенно часто используют для этой цели, получим гальванический элемент, схема которого изображена на рис. 76. Поскольку в обоих случаях восстановленный компонент является чистым элементом, то в обоих случаях AGRed = 0. Следовательно, [c.255]

    В 1792 году А. Вольта разработал первую гальваническую батарею (Вольтов столб) и показал, что для отвода тока может быть использован древесный уголь. Его практическое применение относится к 1830 году. В 1800 году X. Дэви и в 1802 году В. В. Петров между двумя электродами из древесного угля получили электрическую дугу с электропитанием от батареи, разработанной А. Вольта. В 1841 году Р. Бунзен применил в гальванических элементах токоотвоцы (элементные угли) из натурального графита и ретортного угля. В своей работе [В-1], опубликованной в 1842 году, он дал описание технологической схемы получения токоотводов, состоящей из прокаливания порошковых материалов, их измельчения, рассева, смешения с каменноугольной смолой, обжига в ретортах в засыпке из углеродных порошков, пропитки смолой, обжига, механической обработки и последующей пропитки смолами для предотвращения вытекания электролита. В дальнейшем (1877 г.) эта технология была описана Ф. Карре [В-2]. [c.10]

    На рис. 129 приведена иринципиальная схема измерения э. д. с. гальванического элемента. Компенсационная схема состоит нз источника тока — аккумулятора 1, напряжение которого подается на реохорд АВ, гальванометра 2 чувствительностью 10 а элемента Вестона исследуемого элемента 4 нерек ночателя 5 прерывателя 6 и подвижного контакта С. Метод основан па том, что измеряемая э. д. с. уравновещивается (компенсируется) э. д. с. аккумулятора. [c.298]

    Измерение электродвижущих сил. Нормальный элемент. При работе гальванического элемента его э. д. с. не сохраняет строго постоянного значения вследствие изменения концентрации растворов и других причин. Поэтому точные измерения 3. д. с. должны производиться при минимальном прохождении тока. Этому отвечает компенсационный метод измерения э. д. с. (метод Поггендор-фа), дающий возможность определить э. д. с. элемента путем измерения разности потенциалов в условиях обратимой работы элемента. Принципиальная схема установки для компенсационного измерения э. д. с. показана на рис. 152. [c.435]

    Сопряженность анодной и катодной электрохимических реакций при растворении металлов и протекание их на различных участках корродирующей поверхности напоминает работу гальванических элементов. Принципиальная схема электрохимического растворения металлов приведена на рис. 9, хотя в некоторых случаях электрохимическая коррозия может носить гомогенноэлектрохимический характер, без резкого различия анодных п катодных участков (например, растворение амальгам). [c.18]


Калькулятор ЭДС гальванического элемента

Калькулятор ЭДС гальванического элемента – это простой инструмент, который предоставляет вам значение электродвижущей силы (EMF) для любой гальванической ячейки с заданным потенциалом электродов. Если вы немного запутались со всеми этими терминами, не волнуйтесь!

В статье ниже вы найдете краткое описание того, что такое ЭДС, как рассчитать ЭДС и примеры источников электродвижущей силы. Более того, мы подготовили объяснение окислительно-восстановительной реакции и гальванического элемента. Краткое пошаговое руководство демонстрирует использование калькулятора.

Что такое ЭДС?

ЭДС – это сокращение от электродвижущей силы. По определению, ЭДС – это сила или электрическое давление, которое генерирует ток в цепи. Единицы измерения ЭДС в вольтах [В].

Чтобы лучше понять это определение, рассмотрим типичную гальваническую ячейку, состоящую из двух электродов. Электродвижущая сила – это разность потенциалов между ними.

Кроме того, электродвижущая сила гальванического элемента определяет способность электрохимического элемента вызывать поток электронов через электрическую цепь.

Уравнение ЭДС

Электродвижущая сила электрохимической ячейки может быть рассчитана с использованием уравнения:

EMFcell [V] = Ecathode [V] – Eanode [V]

где Ecathode – это потенциал катода (в вольтах), а Eanode – это потенциал анода (в вольтах). Помните, что в ячейке потенциал катода выше, чем потенциал анода.

Электропотенциал анода и катода

Если вы хотите найти потенциал металлического электрода, один из способов – проверить гальванический ряд и найти конкретный металл в таблице. Второй способ – рассчитать его, используя уравнение Нерста, также известное как уравнение потенциала ячейки. Эта формула позволяет рассчитать восстановительный потенциал полуклеточной или полной клеточной реакции.

В таблице ниже вы можете найти электропотенциал металлов:

Стандартные электродные потенциалы металлов при 25 °С

Электрод


Электродная реакция


Потенциалы Е°, В


Li / Li+


Li+ + e= Li


-3,045


Rb / Rb+


Rb+ + e= Rb


-2,925


K / K+


K+ + e= K


-2,924


Cs / Cs+


Cs+ + e= Cs


-2,923


Ba / Ba2+


Ba2+ + 2e= Ba


-2,905


Sr / Sr2+


Sr2+ + 2e= Sr


-2,888


Ca / Ca2+


Ca2+ + 2e= Ca


-2,866


Na / Na+


Na+ + e= Na


-2,714


Mg / Mg2+


Mg2+ + 2e= Mg


-2,363


Sc / Sc3+


Sc3+ +3e= Sc


-2,077


Be / Be2+


Be2+ + 2e= Be


-1,847


Al / Al3+


Al3+ + 3e= Al


-1,660


Mn / Mn2+


Mn2+ + 2e= Mn


-1,179


Cr / Cr2+


Cr2+ + 2e= Cr


-0,913


Zn / Zn2+


Zn2+ + 2e= Zn


-0,760


Fe / Fe2+


Fe2+ + 2e= Fe


-0,440


Cd / Cd2+


Cd2+ + 2e= Cd


-0,400


Co / Co2+


Co2+ + 2e= Co


-0,277


Ni / Ni2+


Ni2+ + 2e= Ni


-0,250


Sn / Sn2+


Sn2+ + 2e= Sn


-0,136


Pb / Pb2+


Pb2+ + 2e= Pb


-0,126


h3 / H+


2H+ + 2e= H2


 0,000


Sb / Sb3+


Sb3+ + 3e= Sb


+0,2


Bi / Bi3+


Bi3+ + 3e= Bi


+0,23


Cu / Cu2+


Cu2+ + 2e= Cu


+0,337


Hg / Hg+


Hg+ + 1e= Hg


+0,788


Ag / Ag+


Ag+ + e= Ag


+0,799


Pd / Pd2+


Pd2+ 2e= Pd


+0,987


Pt / Pt2+


Pt2+ + 2e= Pt


+1,188


Au / Au+


Au+ + e= Au


+1,692


Как рассчитать ЭДС?

Взгляните на пример расчета ЭДС ниже.

Давайте рассмотрим ячейку Даниэля – простую электрохимическую ячейку, изобретенную в 1836 году Джоном Фредериком Даниэлем (британский химик и метеоролог). В этой ячейке медь погружается в раствор сульфата меди (II), а цинк – в раствор сульфата цинка.

Схема ячейки: (-) Zn | Zn2 + || Cu2 + | Cu (+)

Проверьте потенциал металла: электродный потенциал цинка составляет -0,76 В, а меди – +0,34 В ⇒ из-за более низкого потенциала цинк является анодом, а медь – катодом. Введите эти значения в наш калькулятор.

Рассчитайте значение ЭДС электрохимической ячейки, используя уравнение:
EMFcell = +0,34 В – (-0,76 В) = 1,10 В

Электродвижущая сила ячейки Даниэля равна 1,10 вольт.

Источники электродвижущей силы

Ниже вы можете найти несколько примеров источников ЭМП:

  • батареи
  • генераторы переменного тока
  • гальванические элементы
  • солнечные батареи
  • топливные элементы
  • термопары
  • некоторые живые организмы (например, электрический угорь)

Каждый из перечисленных выше источников ЭДС содержит источник энергии, который вызывает поток электрических зарядов. Этими источниками могут быть химические процессы (в батареях, топливе и гальванических элементах), механические силы (в генераторах), электромагнитное излучение, излучаемое Солнцем (в солнечных элементах) и разность температур (в термопарах).

Типы электрохимических ячеек

Электрохимическая ячейка является одним из видов источников энергии. Его можно создать, поместив металлические электроды в электролит, где химическая реакция генерирует или использует электрический ток.

Электрохимические элементы, которые генерируют электрический ток, называются гальваническими элементами (названными в честь их изобретателя, итальянского физика Алессандро Вольта) или гальваническими элементами (названными в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани).

Обычные батареи состоят из одного или нескольких таких элементов. В других электрохимических элементах электрический ток, подаваемый извне, используется для запуска химической реакции (которая не должна происходить самопроизвольно).

Окислительно-восстановительная реакция

Процессы восстановления и окисления происходят только вместе (невозможно, чтобы эти реакции происходили отдельно). Вот почему окислительно-восстановительные реакции могут быть описаны как две полуреакции, одна представляет процесс окисления, а другая – процесс восстановления. Давайте посмотрим на это на примере ячейки Даниэля.

В ячейке Даниэля медь погружается в раствор сульфата меди (II), а цинк – в раствор сульфата цинка. В этой ячейке цинк действует как анод (из-за более низкого электрического потенциала), а медь действует как катод (из-за более высокого электропотенциала):

E⁰ цинкового электрода = -0,76 В
E⁰ медного электрода = +0,34 В
Общая химическая реакция клетки Даниэля: Zn (s) + Cu2⁺ (aq) → Zn²⁺ (aq) + Cu (s)

Окисление (на аноде): Zn (s) → Zn²⁺ (aq) + 2e⁻

Восстановление (на катоде): Cu2⁺ (aq) + 2e⁻ → Cu (s)

Количество электронов, потерянных восстановителем, равно числу электронов, полученных окислителем (для любой окислительно-восстановительной реакции).

Voltaic Cells — Chemistry LibreTexts

В окислительно-восстановительных реакциях электроны передаются от одного вида к другому. Если реакция спонтанная, высвобождается энергия, которую затем можно использовать для полезной работы. Чтобы использовать эту энергию, реакция должна быть разделена на две отдельные половинные реакции: реакции окисления и восстановления. Реакции помещаются в два разных контейнера, и для перемещения электронов с одной стороны на другую используется проволока. При этом создается вольтово-гальванический элемент .-_ {3 \; (aq)} \) ионы. Ионы NO 3 (водн.) можно игнорировать, поскольку они являются ионами-наблюдателями и не участвуют в реакции. В этой реакции медный электрод помещают в раствор, содержащий ионы серебра. Ag + (водн.) будет легко окислять Cu (s) , что приводит к Cu 2 + (водн.), , в то же время восстанавливаясь до Ag (s) .

Эта реакция высвобождает энергию. Однако когда твердый медный электрод помещают непосредственно в раствор нитрата серебра, энергия теряется в виде тепла и не может использоваться для выполнения работы.Чтобы обуздать эту энергию и использовать ее для полезной работы, мы должны разделить реакцию на две отдельные половинные реакции; Реакции окисления и восстановления. Проволока соединяет две реакции и позволяет электронам перемещаться с одной стороны на другую. При этом мы создали гальванический элемент .

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Гальванический элемент

Гальванический элемент (также известный как гальванический элемент) — это электрохимический элемент, который использует спонтанные окислительно-восстановительные реакции для выработки электричества.Он состоит из двух отдельных полуэлементов . Полуячейка состоит из электрода (полоски металла, M) в растворе, содержащем ионы M n + , в котором M — любой произвольный металл. Две полуэлементы связаны между собой проводом, идущим от одного электрода к другому. Соляной мостик также соединяется с полуячейками. Функции этих частей обсуждаются ниже.

Полуэлементы

Половина окислительно-восстановительной реакции происходит в каждой половине ячейки. Следовательно, можно сказать, что в каждой полуячейке происходит полуреакция.Когда две половинки соединяются вместе с помощью проволоки и соляного мостика, создается электрохимическая ячейка.

Электроды

Электрод — это металлическая полоска, на которой происходит реакция. В гальваническом элементе окисление и восстановление металлов происходит на электродах. В гальванической ячейке два электрода, по одному в каждой полуячейке. Катод — это место, где происходит восстановление, а окисление происходит на аноде .

В электрохимии эти реакции протекают на металлических поверхностях или на электродах . Между металлом и веществами в растворе устанавливается окислительно-восстановительное равновесие. Когда электроды погружаются в раствор, содержащий ионы того же металла, это называется полуячейкой . Электролиты — это ионы в растворе, обычно в жидкости, который проводит электричество за счет ионной проводимости. Между атомами металла на электроде и ионными растворами могут происходить два возможных взаимодействия.

  1. Ион металла M n + из раствора может столкнуться с электродом, получив от него n электронов, и преобразоваться в атомы металла.Это означает, что ионы восстанавливаются.
  2. Атом металла на поверхности может потерять «n» электронов на электрод и войти в раствор в виде иона M n + , что означает, что атомы металла окисляются.

Когда электрод окисляется в растворе, он называется анодом , а когда электрод восстанавливается в растворе. он называется катодом .

  • Анод : На аноде происходит реакция окисления.Другими словами, здесь металл теряет электроны. В приведенной выше реакции анодом является Cu (s), поскольку его степень окисления увеличивается от 0 до +2.
  • Катод : Катод — это место, где происходит реакция восстановления. Здесь металлический электрод получает электроны. Возвращаясь к приведенному выше уравнению, катодом является Ag, поскольку его степень окисления уменьшается с +1 до 0,
  • .

Вспоминая окисление и восстановление

Когда дело доходит до окислительно-восстановительных реакций, важно понимать, что означает «окисление» или «восстановление» металла.+ _ {(aq)} \) получает электрон, что означает его сокращение. \ (Cu _ {(s)} \) теряет два электрона и окисляется.

Соляной мостик — жизненно важный компонент любого гальванического элемента. Это трубка, заполненная раствором электролита, например KNO 3 (s) или KCl (s) . Назначение солевого мостика — поддерживать электрическую нейтральность растворов и обеспечивать свободный поток ионов от одной ячейки к другой. Без солевого мостика вокруг электродов будут накапливаться положительные и отрицательные заряды, что приведет к остановке реакции.

Назначение солевого мостика — поддерживать электрическую нейтральность растворов и обеспечивать свободный поток ионов от одной ячейки к другой.

Поток электронов

Электроны всегда текут от анода к катоду или от полуэлемента окисления к полуэлементу восстановления. С точки зрения ячейки E o полуреакций, электроны будут течь от более отрицательной половины реакции к более положительной половине реакции. Схема ячейки — это изображение электрохимической ячейки.На рисунке ниже показана диаграмма ячеек для гальваники, показанная на рисунке \ (\ PageIndex {1} \) выше.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Диаграмма ячеек . На рисунке ниже показана диаграмма ячеек для гальваники, показанная на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).

При рисовании диаграммы ячеек мы придерживаемся следующих соглашений. Анод всегда размещается на левой стороне , а катод размещается на правой стороне . Соляной мост изображен двойными вертикальными линиями (||).o_ {cell} \) для гальванической ячейки, образованной каждой реакцией.

Решение

1.a) Ba 2+ (водн.) → Ba (s) + 2e- с SRP (для противоположной реакции) E o = -2,92 В (анод; где происходит окисление)

Cu 2+ (водн.) + 2e- → Cu (s) с SRP E o = +0,340 В (катод; там, где происходит восстановление)

1.b) Al 3+ (водн.) → Al (s) + 3e с SRP (для противоположной реакции) E o = -1.66 В (анод; там, где происходит окисление)

Sn 2+ (водн.) + 2e → Sn (с) с SRP E o = -0,137 В (катод; там, где происходит восстановление)

2.a) Ba 2+ (водн.) | Ba (s) || Cu (s) | Cu 2+ (водн.)

2.b) Al (s) | Al 3+ (водн.) || Sn 2+ (водн.) | Sn (т)

3.а) E o ячейка = 0,34 — (-2,92) = 3,26 В

3.b) E o ячейка = -0,137 — (-1,66) = 1,523 В

Напряжение элемента / потенциал элемента

Показания вольтметра дают напряжение ячейки реакции или разность потенциалов между двумя двумя полуячейками. Напряжение ячейки также известно как потенциал ячейки или электродвижущая сила (ЭДС) и обозначается символом \ (E_ {cell} \).о_ {анод} \]

Значения E o сведены в таблицу для всех растворенных веществ при 1 M и всех газов при 1 атм. Эти значения называются стандартными потенциалами восстановления . Каждая полуреакция имеет различный восстановительный потенциал, разность двух восстановительных потенциалов дает напряжение электрохимической ячейки. Если ячейка E o положительна, реакция является спонтанной, и это гальваническая ячейка. Если ячейка E o отрицательная, реакция не является спонтанной и называется электролитической ячейкой.

Список литературы

  1. Брэди, Джеймс Э., Холум, Джон Р. «Химия: исследование материи и ее изменений», John Wiley & Sons Inc 1993
  2. Браун, Теодор Л., Лемей, Х. Юджин-младший. Третье издание «Химия: центральная наука», Прентис-Холл, Инк. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси 07632 1985
  3. Браун, Теодор Л., ЛеМэй, Х. Юджин-младший, Бурстен, Брюс Э. «Химия: центральная наука», пятое издание, Prentice-Hall, Inc., Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси 07632 1991
  4. Гессер, Хайман Д.«Описательные принципы химии», C.V. Компания Мосби 1974
  5. Харвуд, Уильям, Херринг, Джеффри, Мадура, Джеффри и Петруччи, Ральф, Общая химия: принципы и современные приложения, девятое издание, Аппер-Сэдл-Ривер, Нью-Джерси, Pearson Prentice Hall, 2007.
  6. Петруччи, Ральф Х. Генерическая химия: принципы и современные приложения 9-е изд. Нью-Джерси: Pearson Education Inc. 2007.
  7. Васос Бэзил Х. Электроанитическая химия. Нью-Йорк: Публикация Wiley-Interscience.1983.
  8. Zumdahl, Стивен С. Химия 7-е изд. Нью-Йорк: Компания Houghton Mifflin. 2007.

Авторы и авторство

  • Шамшер Сингх, Дебора Гхо

гальванических элементов | Химия для майоров

Результаты обучения

  • Опишите функцию гальванического элемента и его компонентов
  • Используйте обозначение ячеек для обозначения состава и конструкции гальванических элементов

В качестве демонстрации спонтанного химического изменения на рисунке 1 показан результат погружения спиральной медной проволоки в водный раствор нитрата серебра.Спонтанно происходит постепенное, но визуально впечатляющее изменение, когда первоначально бесцветный раствор становится все более синим, а первоначально гладкая медная проволока покрывается пористым серым твердым веществом.

Рис. 1. Медная проволока и водный раствор нитрата серебра (слева) контактируют (в центре), и происходит самопроизвольный перенос электронов, образуя синий Cu 2 + <\ sup> (водный) и серый Ag (s ) (верно).

Эти наблюдения согласуются с (i) окислением элементарной меди с образованием ионов меди (II), Cu 2+ (водн.) , которые придают раствору синий цвет, и (ii) восстановлением серебра (I) ионы с образованием элементарного серебра, которое осаждается в виде пушистого твердого вещества на поверхности медной проволоки.{-} \ longrightarrow \ text {2Ag} \ left (s \ right) \ end {array} [/ latex]

Рассмотрим конструкцию устройства, которое содержит все реагенты и продукты окислительно-восстановительной системы, как здесь, но предотвращает физический контакт между реагентами. Таким образом, предотвращается прямой перенос электронов; передача, напротив, происходит косвенно через внешнюю цепь, которая контактирует с разделенными реагентами. Устройства этого типа обычно называются электрохимическими ячейками , а те, в которых происходит спонтанная окислительно-восстановительная реакция, называются гальваническими ячейками (или гальваническими ячейками ).

Гальванический элемент, основанный на спонтанной реакции между медью и серебром (I), изображен на рисунке 2. Ячейка состоит из двух полуячейков, каждая из которых содержит пару окислительно-восстановительных конъюгатов («пару») одного реагента. Показанная слева полуячейка содержит пару Cu (0) / Cu (II) в виде твердой медной фольги и водного раствора нитрата меди. Правая полуячейка содержит пару Ag (I) / Ag (0) в виде твердой серебряной фольги и водного раствора нитрата серебра. Внешняя цепь подключена к каждой полуячейке на ее твердой фольге, что означает, что каждая фольга из Cu и Ag функционирует как электрод .По определению, анод электрохимической ячейки — это электрод, на котором происходит окисление (в данном случае медная фольга), а катод — это электрод, на котором происходит восстановление (серебряная фольга). Окислительно-восстановительные реакции в гальваническом элементе происходят только на границе раздела между реакционной смесью каждого полуэлемента и его электродом. Для разделения реагентов при сохранении баланса заряда два раствора полуячейки соединены трубкой, заполненной инертным раствором электролита, называемым солевым мостиком. Спонтанная реакция в этой ячейке производит катионы Cu 2+ в анодной полуячейке и потребляет ионы Ag + в катодной полуячейке, что приводит к компенсирующему потоку инертных ионов из солевого мостика, который поддерживает баланс заряда.Возрастающие концентрации Cu 2+ в анодной полуячейке уравновешиваются притоком NO 3 из солевого мостика, в то время как поток Na + в катодную полуячейку компенсирует уменьшение Концентрация Ag + .

Рис. 2. Гальванический элемент, основанный на спонтанной реакции между ионами меди и серебра (I).

Обозначение ячейки

Сокращенный символизм обычно используется для обозначения гальванического элемента, предоставляя важную информацию о его составе и структуре.Эти символические представления называются обозначениями ячеек или схемами ячеек, и они записываются в соответствии с несколькими рекомендациями:

  • Соответствующие компоненты каждой полуячейки представлены их химическими формулами или символами элементов
  • Все границы раздела фаз компонентов представлены вертикальными параллельными линиями; если два или более компонента присутствуют в одной фазе, их формулы разделяются запятыми
  • По соглашению, схема начинается с анода и продолжается слева направо, идентифицируя фазы и границы раздела, встречающиеся в ячейке, и заканчивается катодом

Словесное описание ячейки с точки зрения анода-катода часто является полезным первым шагом при написании ее схемы.{2 +} \ left (g \ right) \ end {array} [/ latex]

В этой ячейке твердый магниевый анод погружен в водный раствор хлорида магния, который через солевой мостик соединен с водным раствором, содержащим смесь хлорида железа (III) и хлорида железа (II), в который погружен платиновый катод. Схема ячейки записывается как

.

[латекс] \ text {Mg} \ left (s \ right) \ mid {0,1 Mg} {\ text {MgCl} _ {2}} \ left (aq \ right) \ parallel {0,2 M} {\ text { FeCl}} _ {3} \ left (aq \ right), {0,3 M} {\ text {FeCl} _ {2}} \ left (aq \ right) \ mid \ text {Pt} \ left (s \ right ) [/ латекс]

Обратите внимание, что катодная полуячейка отличается от других рассмотренных до сих пор тем, что ее электрод состоит из вещества (Pt), которое не является ни реагентом, ни продуктом реакции в ячейке.Это требуется, когда ни один из членов окислительно-восстановительной пары полуэлемента не может разумно функционировать в качестве электрода, который должен быть электропроводным и находиться в фазе, отдельной от раствора полуэлемента. В этом случае оба члена окислительно-восстановительной пары представляют собой растворенные вещества, и поэтому Pt используется в качестве инертного электрода , который может просто обеспечивать или принимать электроны окислительно-восстановительным компонентам в растворе. Электроды, изготовленные из элемента окислительно-восстановительной пары, такого как анод из магния в этой ячейке, называются активными электродами .

Рис. 3. Гальванический элемент, основанный на спонтанной реакции между ионами магния и железа (III).

Вы можете просмотреть стенограмму «Гальванические элементы (гальванические элементы)» здесь (открывается в новом окне).

Пример 1: Написание схемы гальванического элемента

Гальванический элемент изготавливается путем соединения двух полуэлементов соляным мостиком, в одном из которых хромовая проволока погружена в 1 M раствор CrCl 3 , а в другом медная проволока погружена в 1 M CuCl 2 .Предполагая, что хромовая проволока функционирует как анод, напишите схему этой ячейки вместе с уравнениями для анодной полуреакции, катодной полуреакции и общей реакции ячейки.

Показать решение
Решение

Поскольку хромовая проволока должна быть анодом, схема начинается с нее и продолжается слева направо, символизируя другие компоненты ячейки, пока не заканчивается катодом из медной проволоки:

[латекс] \ text {Cr} \ left (s \ right) \ mid {1 M} {\ text {CrCl}} _ {3} \ left (aq \ right) \ parallel {1 M} {\ text { CuCl}} _ {2} \ left (aq \ right) \ mid \ text {Cu} \ left (s \ right) [/ latex]

Полураакции для этой клетки равны

. { 3 +} \ left (aq \ right) +3 \ text {Cu} \ left (s \ right) [/ латекс]

Проверьте свои знания

Опуская концентрации растворенных веществ и идентификаторы ионов-наблюдателей, напишите схему гальванической ячейки, результирующая реакция которой показана ниже.{2 +} \ left (aq \ right) \ mid \ text {Pt} \ left (s \ right) [/ latex]

Вы можете просмотреть стенограмму «Гальванический элемент с цинком и медью» здесь (открывается в новом окне).

Ключевые концепции и резюме

Электрохимические ячейки обычно состоят из двух полуэлементов. Полуячейки отделяют полуреакцию окисления от полуреакции восстановления и позволяют току проходить через внешний провод. Одна полуячейка, обычно изображенная на левой стороне рисунка, содержит анод.Окисление происходит на аноде. Анод соединен с катодом в другой полуячейке, что часто показано на рисунке справа. Восстановление происходит на катоде. Добавление солевого моста завершает цепь, позволяя течь току. Анионы в солевом мостике текут к аноду, а катионы в солевом мостике — к катоду. Движение этих ионов замыкает цепь и сохраняет электрическую нейтральность каждой полуячейки. Электрохимические ячейки можно описать с помощью обозначений ячеек. В этих обозначениях информация о реакции на аноде отображается слева, а информация о реакции на катоде — справа.Соляной мост изображен двойной линией ‖. Твердая, жидкая или водная фазы в полуячейке разделены одной линией |. Фаза и концентрация различных видов указаны после названия вида. Электроды, участвующие в окислительно-восстановительной реакции, называются активными электродами. Электроды, которые не участвуют в реакции окисления-восстановления, но предназначены для протекания тока, являются инертными электродами. Инертные электроды часто делают из платины или золота, которые не меняются в результате многих химических реакций.{2 +} \ left (aq \ right) + \ text {2Ag} \ left (s \ right) [/ latex]

  • [латекс] \ text {Mn} \ left (s \ right) + \ text {Sn} \ left (\ text {NO} _ {3} \ right) _ {2} \ left (aq \ right) \ longrightarrow \ text {Mn} \ left (\ text {NO} _ {3} \ right) _ {2} \ left (aq \ right) + \ text {Au} \ left (s \ right) [/ latex]
  • [латекс] 3 \ text {CuNO} _ {3} \ left (aq \ right) + \ text {Au} \ left (\ text {NO} _ {3} \ right) _ {3} \ left (aq \ right) \ longrightarrow3 \ text {Cu} \ left (\ text {NO} _ {3} \ right) _ {2} \ left (aq \ right) + \ text {Au} \ left (s \ right) [ / латекс]
  • Используя следующие обозначения ячеек, определите виды окисленных, восстановленных видов, а также окислитель и восстановитель, не записывая сбалансированные реакции.{-} \ left (aq \ right) \ text {(базовое решение)} [/ latex]
  • Укажите виды окисленных, восстановленных, а также окислитель и восстановитель для всех реакций в предыдущей задаче.
  • На основе предоставленной информации используйте обозначение ячеек для описания следующих систем:
    1. В одной полуячейке раствор Pt (NO 3 ) 2 образует металлическую Pt, а в другой полуячейке металлическая Cu переходит в раствор Cu (NO 3 ) 2 с все концентрации растворенных веществ 1 M .
    2. Катод состоит из золотого электрода в растворе 0,55 M Au (NO 3 ) 3 , а анод представляет собой магниевый электрод в растворе 0,75 M Mg (NO 3 ) 2 .
    3. Одна полуячейка состоит из серебряного электрода в растворе 1 M AgNO 3 , а в другой полуячейке медный электрод в 1 M Cu (NO 3 ) 2 окисляется .
  • Почему солевой мостик необходим в гальванических элементах, подобных показанному на рисунке 2?
  • Было обнаружено, что активный (металлический) электрод набирает массу по мере протекания реакции окисления-восстановления.Был ли электрод частью анода или катода? Объяснять.
  • Было обнаружено, что активный (металлический) электрод теряет массу по мере протекания реакции окисления-восстановления. Был ли электрод частью анода или катода? Объяснять.
  • Масса трех различных металлических электродов, каждый из разных гальванических элементов, была определена до и после того, как ток, генерируемый реакцией окисления-восстановления в каждой ячейке, пропустили в течение нескольких минут. Было обнаружено, что первый металлический электрод, обозначенный меткой A, увеличился в массе; второй металлический электрод, обозначенный меткой B, не изменился по массе; а третий металлический электрод, обозначенный меткой C, потерял массу.{-} \ left (aq \ right) [/ латекс]
  • 7. Без солевого мостика цепь была бы разомкнута (или разорвана), и ток не мог бы течь. При использовании солевого моста каждая полуячейка остается электрически нейтральной, и по цепи может протекать ток.

    9. Активные электроды участвуют в окислительно-восстановительной реакции. Поскольку металлы образуют катионы, электрод теряет массу, если атомы металла в электроде окисляются и переходят в раствор. Окисление происходит на аноде.

    Глоссарий

    активный электрод: электрод, который участвует в окислительно-восстановительной реакции электрохимической ячейки; масса активного электрода изменяется в процессе окислительно-восстановительной реакции

    анод: электрод в электрохимической ячейке, на котором происходит окисление; информация об аноде записана на левой стороне солевого мостика в обозначении ячейки

    катод: электрод в электрохимической ячейке, на котором происходит восстановление; информация о катоде записана на правой стороне солевого мостика в обозначении ячейки

    Обозначение ячейки : сокращенный способ представления реакций в электрохимической ячейке

    потенциал ячейки: разность электрических потенциалов, возникающая при соединении разнородных металлов; движущая сила для протекания заряда (тока) в окислительно-восстановительных реакциях

    гальванический элемент: электрохимический элемент , в котором протекает спонтанная реакция окисления-восстановления; электрохимические ячейки с положительными потенциалами ячеек; также называется гальванический элемент

    инертный электрод: электрод , который пропускает ток, но не участвует в окислительно-восстановительной реакции в электрохимической ячейке; масса инертного электрода не изменяется в процессе окислительно-восстановительной реакции; инертные электроды часто делают из платины или золота, потому что эти металлы химически неактивны.(2 +) (водн.) #

    Направление потока электронов
    Элемент получает электроны при восстановлении и теряет электроны при окислении. Следовательно, будет поток электронов от кобальта к меди через внешнюю цепь.

    Анод или катод
    «Катод — это место, где происходит восстановление и происходит окисление на аноде ». (Chemistry Libretexts) [2]
    Кобальт окисляется с образованием ионов кобальта (II), поэтому кобальтовый электрод будет анодом.Ионы меди (II) восстанавливаются до элементарной меди на медном электроде, так что это будет катод.

    Я запоминаю это, размышляя о происхождении двух названий гальванических электродов. # Цвет (синий) («An») «ода» # элемента, гальванического или электрохимического, притягивает анионы (ионы с отрицательным зарядом) и, следовательно, должен нести некоторые положительные заряды. Таким образом, он теряет электроны и, таким образом, подвергается окислению. Точно так же #color (red) («Cat») «hode» # притягивает катионы (положительно заряженные ионы), обладает избыточным отрицательным зарядом и, следовательно, подвергается восстановлению.Очевидно, это практическое правило, но оно работает для меня.

    Положительная или отрицательная клемма
    Электроны всегда текут от отрицательной клеммы к положительной — в точности противоположном направлению тока. Следовательно, катод будет положительной клеммой, а анод — отрицательной клеммой.

    Ссылки
    [1] «Гальванические элементы», редактор CK-12, https://www.ck12.org/section/Galvanic-Cells/

    [2] «Гальванические элементы», LibreText Chemistry, https: // chem.libretexts.org/Core/Analytical_Chemistry/Electrochemistry/Voltaic_Cells

    Гальванический элемент

    — обзор

    Для гальванического элемента

    (122) M (Hg) | MX (cin S) | AgX (s) | Ag (s) ,

    , которая включает химическую реакцию

    (123) M (Hg) + AgX (s) ⇆MX (solv) + Ag (s),

    ЭДС определяется соотношением

    (124) −nFE = ∑ β = 1v∑i = 1kωi (β) μi (β).

    В уравнениях. (122) и (123), M (Hg) — электрод из амальгамы щелочного металла, MX — сольватированный галогенид щелочного металла M с концентрацией c в растворителе S, и AgX (s) / Ag (s) — серебро галогенидно-серебряный электрод.Уравнение (124) представляет собой общее выражение для электродвижущей силы E гальванического элемента без жидкостного перехода, в котором произвольная реакция ячейки ω1Y1 + ω2Y2 +… ⇆ωiYi +… ,, имеет место между k компонентами в ν фазах. В уравнении. (124) n — число молей электронов, перенесенных во время этого процесса от анода к катоду через внешнюю цепь, F число Фарадея и μ (β) i химический потенциал компонента Y и в фазе β.Ячейки с жидкостными переходами требуют электродвижущей силы E в формуле. (124) заменить на величину E E D , где E D — это диффузионный потенциал, обусловленный жидкостным переходом. Стандартный потенциал E ° для ячейки, исследованной по формуле. (122) определяется соотношением

    (125) FE ° = — [μAg * + μMX∞ − μAgX * −μM (Hg) sat].

    То есть E ° было бы измеренной ЭДС, если бы все компоненты находились в своих стандартных состояниях.Следовательно, для данного примера, уравнение. (124) можно записать как

    (126) E = E ° −RTFlnaMXaM (Hg) = E ′ ° −2RTFln (acy ′ ±)

    , если концентрация металла в амальгаме остается постоянной для серии измерений.

    Уравнение (126) снова того же типа, что и уравнение. (98). Анализ данных по разбавленным растворам вместе с уравнениями (99) и (100) дает E ‘° и K A в качестве желаемой информации. Константа ассоциации K A , полученная таким образом, согласуется с таковыми из измерений теплот разбавления или проводимости.

    Согласно формуле. (126) эталонный потенциал E ′ ° при активности a M (Hg) определяется соотношением

    (127) E ′ ° = E ° + RTFlnaM (Hg)

    и дает стандартный потенциал E °, если известна активность a M (Hg) . Следовательно, энергия Гиббса перехода электролита MX из чистого в бесконечно разбавленное состояние в растворителе S доступна:

    (128) μMX∞ − μMX * = ΔsolGMX∞ = −FE ° + μAgX * −μMX *.

    Измерения ЭДС как функции температурного выхода Δ sol H MX в соответствии с калориметрическими данными.

    Измерения ЭДС также широко используются для расчета коэффициентов активности при концентрациях, превышающих предел достоверности модельных расчетов. Для этого уравнение. (126) используется для определения y ± , y ± = α y ± после предыдущего определения E ′ ° из данных разбавленного раствора.

    Гальванические и электролитические элементы | Электрохимические реакции

    13,3 Гальванические и электролитические ячейки (ESCR3)

    Электрохимические реакции (ESCR4)

    В 11 классе вы провели эксперимент, чтобы увидеть, что происходит, когда гранулы цинка добавляют к раствору сульфата меди (II). {2 +} \) из раствора \ (\ color {blue} {\ textbf {синий сульфат меди (II)}} \) были восстановлены (получили электроны ) до металлической меди, которая затем наносилась слоем на твердый цинк.{2 +} \)) получают два электрона и осаждаются в виде твердой меди.

    (Фото benjah-bmm27 и Jurii в Википедии)

    Помните, что когда вы проводили этот эксперимент, температура реакции повысилась (он был экзотермическим). Экзотермическая реакция выделяет энергию . Это вызывает несколько вопросов:

    • Возможно ли преобразование этой тепловой энергии в электрическую?

    • Можем ли мы использовать химическую реакцию с обменом электронами для производства электричества?

    • Если бы мы подали электрический ток, могли бы мы вызвать какую-то химическую реакцию?

    Ответам на эти вопросы и посвящена данная глава:

    • Энергия химической реакции может быть преобразована в электрическую потенциальную энергию, которая образует электрический ток.

    • При переносе электронов в химической реакции может протекать электрический ток.

    • Если вы подаете электрический ток, он может вызвать химическую реакцию, подавая электроны (и потенциальную энергию), необходимые для реакций, протекающих внутри элемента.

    Эти типы реакций называются электрохимическими реакциями . Электрохимическая реакция — это реакция, в которой:

    • химическая реакция создает разность электрических потенциалов и, следовательно, электрический ток во внешних проводящих проводах

      или

    • электрический ток обеспечивает электрическую потенциальную энергию и электроны, и поэтому происходит химическая реакция

    Электрохимическая реакция

    Электрохимическая реакция включает перенос электронов.Происходит преобразование химической потенциальной энергии в электрическую потенциальную энергию, или электрической потенциальной энергии в химическую потенциальную энергию.

    Электрохимия — это раздел химии, изучающий эти электрохимические реакции. Электрохимическая ячейка — это устройство, в котором происходят электрохимические реакции.

    Электрохимическая ячейка

    Устройство, в котором происходят электрохимические реакции.

    Вы справитесь! Позвольте нам помочь вам учиться с умом для достижения ваших целей. Siyavula Practice направит вас в удобном для вас темпе, когда вы задаете вопросы в Интернете.

    Зарегистрируйтесь, чтобы улучшить свои оценки

    Электрохимические реакции

    Упражнение 13.3

    \ (\ text {CuO} (\ text {s}) + \ text {H} _ {2} (\ text {g}) \) \ (\ to \) \ (\ text {Cu} (\ text {s}) + \ text {H} _ {2} \ text {O} (\ text {g}) \)

    Степень окисления \ (\ text {O} \) равна \ (- \ text {2} \). {2 -} \) равна \ (- \ text {8} \).{2 +} \) получает два электрона и превращается в \ (\ text {Fe} \). Железо уменьшено на .

    \ (\ text {Zn} (\ text {s}) + 2 \ text {AgNO} _ {3} (\ text {aq}) \) \ (\ to \) \ (2 \ text {Ag} ( \ text {s}) + \ text {Zn} (\ text {NO} _ {3}) _ {2} (\ text {aq}) \)

    Степень окисления иона \ (\ text {NO} _ {3} \) равна \ (- \ text {1} \) как реагенту, так и продукту.

    Степень окисления \ (\ text {O} \) равна \ (- \ text {2} \). \ (\ text {O} \) не окисляется и не восстанавливается.{2 -} \)

    Существует два типа электрохимических ячеек, которые мы рассмотрим более подробно в этой главе: гальванические и электролитические ячейки . Прежде чем мы подробно рассмотрим гальванические и электролитические элементы, вам необходимо знать несколько определений:

    Электрод

    Электрод — это электрический проводник, который соединяет электрохимические частицы из раствора с внешней электрической цепью ячейки.

    В электрохимической ячейке есть два типа электродов: \ (\ color {blue} {\ textbf {anode}} \) и \ (\ color {red} {\ textbf {cathode}} \).

    \ (\ color {blue} {\ text {Oxidation}} \) всегда встречается в \ (\ color {blue} {\ textbf {anode}} \), а \ (\ color {red} {\ text {сокращение }} \) всегда встречается в \ (\ color {red} {\ textbf {cathode}} \). Поэтому, пытаясь определить, на какой электрод вы смотрите в первую очередь, определите, происходит ли там окисление или восстановление.Легкий способ запомнить это:

    Окисление — потеря электронов .

    Редукция — это прирост электронов .

    \ (\ color {blue} {\ textbf {O}} \) xidation \ (\ color {blue} {\ textbf {i}} \) s \ (\ color {blue} {\ textbf {l }} \) осс электронов

    \ (\ color {blue} {\ textbf {OIL}} \)

    \ (\ color {red} {\ textbf {R}} \) образование \ (\ color {red} {\ textbf {i}} \) s \ (\ color {red} {\ textbf {g}} \) в электронах

    \ (\ color {red} {\ textbf {RIG}} \)

    \ (\ color {blue} {\ textbf {O}} \) xidation — это \ (\ color {blue} {\ textbf {l}} \) скопление электронов на узел \ (\ color {blue} {\ textbf {a}} \)

    \ (\ color {blue} {\ textbf {An Ox}} \)

    \ (\ color { red} {\ textbf {Red}} \) действие — это усиление электронов на \ (\ color {red} {\ textbf {cat}} \) hode

    \ (\ color {red} {\ textbf { Красный кот}} \)

    Таблица 13.1: Краткое изложение фраз, которые помогут вам запомнить правила окисления и восстановления.

    Электрод помещается в раствор электролита внутри ячейки. Если ячейка состоит из двух отсеков, эти отсеки будут соединены солевым мостиком .

    Электролит

    Электролит — это раствор, который содержит свободные ионы и поэтому ведет себя как проводник зарядов (электрический проводник) в растворе.

    Солевой мостик

    Солевой мостик — это материал, который содержит раствор электролита и действует как соединение между двумя полуэлементами (замыкает цепь). Он поддерживает электрическую нейтральность внутри и между электролитами в отсеках полуэлементов.

    Гальванические элементы (ESCR5)

    Гальванический элемент (который также иногда называют вольтовым элементом или мокрым элементом ) состоит из двух полуэлементов, которые преобразуют химическую потенциальную энергию в электрическую потенциальную энергию.

    Гальванический элемент

    Гальванический элемент — это электрохимический элемент, который преобразует химическую потенциальную энергию в электрическую потенциальную энергию посредством спонтанной химической реакции.

    В гальваническом элементе два полуэлемента. Каждая полуячейка содержит электрод в электролите. Разделение необходимо для предотвращения прямого химического контакта реакций окисления и восстановления, создающего разность потенциалов. Электроны, высвобождаемые в реакции окисления, проходят через внешнюю цепь (и выполняют работу), прежде чем будут использованы в реакции восстановления.{+} (\ text {aq}) \) раствор электролита.

  • Электроны, выпущенные в \ (\ color {blue} {\ textbf {окисление}} \) металла, остаются на \ (\ color {blue} {\ textbf {аноде}} \), в то время как катионы металла образуются перейти в раствор.

  • Металл на катоде — Y. {+} (\ text {aq}) + \ text {Y} (\ text {s}) \) .{+} {\ textbf {(aq)}}} \) \ (| \) \ (\ color {red} {\ textbf {Y (s)}} \)

    Условно:

    • \ (\ color {blue} {\ textbf {anode}} \) всегда пишется на \ (\ color {blue} {\ textbf {left}} \).

    • \ (\ color {red} {\ textbf {cathode}} \) всегда пишется на \ (\ color {red} {\ textbf {right}} \).

    • Анодная и катодная полуэлементы разделены символом \ (|| \), обозначающим солевой мостик.

    • Различные фазы в каждой полуячейке (твердая (ие) и водная (водная) здесь) разделены знаком \ (| \).

  • Электроды в каждой полуячейке соединены проводом во внешней цепи. Между отдельными полуячейками существует также солевой мостик.

  • Гальванический элемент использует реакции, которые происходят на двух электродах, для производства электроэнергии, т.е.е. реакция происходит без необходимости добавления энергии.

    Спонтанная реакция — это реакция, которая происходит без потребности во внешней энергии. Обратитесь к подразделу о спонтанности для получения дополнительной информации.

    Реакцию цинка и меди, которую вы провели в 11 классе, можно изменить, чтобы получить гальванический элемент. Слитки цинка и меди используются в качестве электродов , с растворами сульфата цинка (II) и сульфата меди (II) в качестве электролитов .

    В эксперименте с гальваническим элементом убедитесь, что паста хлорида натрия имеет высокую концентрацию и заполняет U-образную трубку для достижения наилучших результатов.{-3} $} \)), \ (\ text {NaCl} \) вставить

  • Измерительные весы, две \ (\ text {250} \) \ (\ text {ml} \) мензурки, U-образная трубка, вата, амперметр с нулевым центром, соединительный провод.

  • Очищающий этанол, эфир (при наличии)

  • Метод

    1. Взвесьте медные и цинковые пластины и запишите их массу.

    2. Налейте \ (\ text {200} \) \ (\ text {ml} \) раствор сульфата цинка в стакан и поместите цинковую пластину в стакан.

    3. Налейте \ (\ text {200} \) \ (\ text {ml} \) раствор сульфата меди (II) во второй стакан и поместите медную пластину в стакан.

    4. Заполните U-образную трубку пастой \ (\ text {NaCl} \) и заклейте концы трубок ватой (образуя солевой мостик). Ватка поможет предотвратить растворение пасты в электролите.

    5. Подсоедините цинковую и медную пластины к амперметру с нулевым центром и наблюдайте за амперметром.

    6. Поместите U-образную трубку так, чтобы один конец находился в растворе сульфата меди (II), а другой конец — в растворе сульфата цинка. Наблюдайте за амперметром.

    7. Снимите амперметр и соедините медную и цинковую пластины друг с другом напрямую с помощью медной проволоки. Оставить постоять примерно на сутки.

    8. Через день снимите две пластины и промойте их: сначала дистиллированной водой, затем спиртом и, наконец, эфиром (если есть).Просушите тарелки феном.

    9. Взвесьте цинковые и медные пластины и запишите их массу.

    Примечание

    Вольтметр также можно использовать вместо амперметра с нулевым центром. Вольтметр с нулевым центром будет измерять разность потенциалов на ячейке (не поток электронов), а амперметр будет измерять ток.

    Обсуждение

    • Амперметр записал показания до того, как солевой мостик был помещен в растворы?

    • Амперметр записал показания после того, как солевой мостик был помещен в растворы? Если да, то в каком направлении течет ток?

    • Заполните таблицу ниже:

      00

      Пластина

      Начальная масса

      Конечная масса

      Цинк

      00 9143 9143 9143 9143

    • Как изменилась масса цинковых и медных пластин?

    • На основании того, что вы знаете об окислении и восстановлении, почему произошли эти массовые изменения?

    • Какой электрод является анодом, а какой катодом?

    • Результаты

      В ходе эксперимента вы должны были заметить следующее:

      • При отсутствии соляного мостика на амперметре не было показаний.

      • Когда был подключен солевой мостик, показания были записаны на амперметре.

      • Направление потока электронов — от цинковой пластины к медной пластине, что означает, что обычный ток течет от медной пластины к цинковой пластине.

      • После того, как пластины были соединены напрямую друг с другом и оставлены на сутки, их масса изменилась.Масса цинковой пластины уменьшилась, а масса медной пластины увеличилась.

      • \ (\ color {blue} {\ textbf {O}} \) xidation \ (\ color {blue} {\ textbf {i}} \) s \ (\ color {blue} {\ textbf {l}} \ ) осс электронов, \ (\ color {red} {\ textbf {R}} \) выделение \ (\ color {red} {\ textbf {i}} \) s \ (\ color {red} {\ textbf { G}} \) в электронах.

        Цинковый электрод потерял массу. Это означает, что твердые атомы металлического Zn становятся ионами и переходят в раствор электролита: \ (\ text {Zn} (\ text {s}) \) \ (\ to \) \ (\ text {Zn} ^ {2+} (\ text {aq}) + 2 \ text {e} ^ {-} \).{-} \) \ (\ to \) \ (\ text {Cu} (\ text {s}) \). Восстановление происходит на медном электроде.

      • \ (\ color {blue} {\ textbf {Ox}} \) idation — потеря электронов при оде \ (\ color {blue} {\ textbf {an}} \). Окисление происходит на цинковом электроде, поэтому цинковая пластина является анодом.

        \ (\ color {red} {\ textbf {Red}} \) действие — это прирост электронов на пути \ (\ color {red} {\ textbf {cat}} \). Восстановление происходит на медном электроде, поэтому медная пластина является катодом.Ионы {2 +} \) произошли здесь, чтобы произвести больше металлической меди.

        В этом эксперименте важно отметить следующее:

        • химические реакции, которые происходят на двух электродах, вызывают прохождение электрического тока через внешнюю цепь

        • общая реакция должна быть спонтанной окислительно-восстановительной реакцией

        • химическая энергия преобразуется в электрическую энергию

        • цинк-медный элемент является одним из примеров гальванического элемента

        Итальянский врач и анатом Луиджи Гальвани ознаменовал рождение электрохимии, установив связь между химическими реакциями и электричеством.В 1780 году Гальвани обнаружил, что когда два разных металла (например, медь и цинк) были соединены друг с другом, а затем оба коснулись разных частей нерва лягушачьей ноги одновременно, они заставили ногу сокращаться. Он назвал это «животным электричеством».

        В цинко-медной ячейке медная и цинковая пластины являются электродами . Соляной мостик играет очень важную роль в гальваническом элементе:

        • Раствор электролита состоит из катионов металлов и анионов-спектаторов.{+} \) ионы перемещаются из солевого мостика в отсек катодной полуячейки.

        Солевой мостик действует как среда переноса, которая позволяет ионам проходить через них, не позволяя различным растворам смешиваться и вступать в прямую реакцию. Это позволяет уравновешивать заряды в растворах электролитов и позволяет реакциям в ячейке продолжаться.

        Без солевого мостика поток электронов во внешнем контуре полностью прекращается. Это потому, что солевой мостик необходим для замыкания цепи.

        Ячейки электролитические (ESCR6)

        В электролизере электрическая потенциальная энергия преобразуется в химическую потенциальную энергию. Электролитическая ячейка использует электрический ток, чтобы вызвать конкретную химическую реакцию, которая в противном случае не имела бы места.

        Электролитическая ячейка

        Электролитическая ячейка — это электрохимическая ячейка, которая преобразует электрическую потенциальную энергию в химическую потенциальную энергию, используя электричество для запуска несамопроизвольной химической реакции.

        Иногда гальванические элементы называют просто электрохимическими ячейками. Хотя они являются электрохимическими ячейками, электролитические ячейки также являются электрохимическими ячейками. Однако электролитические и гальванические элементы — это не одно и то же.

        Электролитическая ячейка активируется путем приложения электрического потенциала к электродам, чтобы вызвать внутреннюю химическую реакцию между электродами и ионами, находящимися в растворе электролита. Этот процесс называется электролиз .

        Электролиз

        Электролиз — это метод запуска химических реакций путем пропускания электрического тока через электролит.

        Рисунок 13.6: Эскиз электролитической ячейки.

        В электролитической ячейке (например, ячейке, показанной на рисунке 13.6):

        • Раствор электролита состоит из катионов металлов и анионов-спектаторов.

        • Реакции окисления и восстановления происходят в одном контейнере, но не являются спонтанными.Для работы они требуют подключения электродов к внешнему источнику питания.

        • Электроды в электролитической ячейке могут быть из одного или разных металлов. Принцип тот же. Пусть будет только один металл, пусть это будет металл Z.

        • Электрод подключен к \ (\ color {blue} {\ textbf {положительной клемме}} \) батареи.

          • Чтобы сбалансировать заряд \ (\ color {blue} {\ textbf {положительный электрод}} \), атомы металла \ (\ color {blue} {\ textbf {окисленные}} \) образуют ионы металлов.{-}} \)

          • \ (\ color {blue} {\ textbf {Ox}} \) idation — это потеря в оде \ (\ color {blue} {\ textbf {an}} \), поэтому этот электрод является \ (\ color { синий} {\ textbf {анод}} \).

        • Электрод подключен к \ (\ color {red} {\ textbf {отрицательной клемме}} \) батареи.

          • Когда положительные ионы контактируют с \ (\ color {red} {\ textbf {отрицательным электродом}} \), ионы приобретают электроны и становятся \ (\ color {red} {\ textbf {Reddated}} \).{+} (\ text {aq}) + \ text {Z} (\ text {s}) \). Хотя это может показаться тривиальным, это важный метод очистки металлов (см. Раздел 13.7).

          В эксперименте с движением окрашенных ионов для приготовления буферного раствора аммиака и хлорида аммония необходимо объединить эквимолярные количества аммиака и хлорида аммония. Объем не имеет значения, если в растворе содержится одинаковое количество молей каждого соединения.

          Концентрированные прочные основания могут вызвать серьезные ожоги.Напоминайте учащимся, что при работе со всеми химическими веществами, особенно сильными концентрированными основаниями, необходимо надевать соответствующее защитное снаряжение. Средства защиты включают перчатки, защитные очки и защитную одежду.

          Движение окрашенных ионов под действием электрического заряда

          Цель

          Чтобы продемонстрировать, как ионы перемещаются в растворе к противоположно заряженным электродам.

          Аппарат

          • Фильтровальная бумага, предметное стекло, батарея 9 В, два зажима типа «крокодил», соединенные с проводами, лента

          • Аммиак (\ (\ text {NH} _ {3} (\ text {aq}) \)) и буферный раствор хлорида аммония (\ (\ text {NH} _ {4} \ text {Cl} \)), раствор хромата меди (II)

          Метод

          1. Подсоедините провод от зажима типа «крокодил» к одному концу батареи и закрепите лентой.Повторите то же самое с другим проводом с зажимом типа «крокодил» и другим концом батареи.

          2. Смочите кусок фильтровальной бумаги в буферном растворе аммиака и хлорида аммония и поместите его на предметное стекло.

          3. Присоедините фильтровальную бумагу к батарее с помощью одного из зажимов типа «крокодил», второй держите рядом.

          4. Поместите линию раствора хромата меди (II) в центр фильтровальной бумаги.Цвет этого раствора изначально зелено-коричневый.

          5. Присоедините второй зажим «крокодил» напротив первого (как показано на схеме) и оставьте эксперимент на выполнение примерно \ (\ text {20} \) \ (\ text {minutes} \).

          Результаты

          • После \ (\ text {20} \) \ (\ text {minutes} \) вы должны увидеть, что центральная цветная полоса исчезает и заменяется двумя полосами, желтой и синей, которые кажутся отделенными от первая полоса хромата меди (II).Ионы {2 +} \) притягиваются к отрицательному электроду, это создает синюю полосу.

          Заключение

          Движение ионов происходит потому, что электрический ток во внешней цепи создает разность потенциалов между двумя электродами.

          В эксперименте с электролитической ячейкой важно, чтобы учащиеся тщательно взвешивали медные электроды перед экспериментом и промывали и сушили электроды перед взвешиванием после эксперимента.{-3} $} \))

        • А \ (\ text {9} \) \ (\ text {V} \) аккумулятор, два соединительных провода, стакан.

        Метод

        1. Наполовину заполните стакан раствором сульфата меди (II). Какого цвета раствор?

        2. Тщательно взвесьте каждый медный электрод и запишите вес.

        3. Поместите два медных электрода (известной массы) в раствор и убедитесь, что они не касаются друг друга.

        4. Подключите электроды к батарее, как показано ниже, и оставьте эксперимент на день. Какого цвета раствор через сутки?

        Обсуждение

        • Какого цвета был раствор сульфата меди (II) до эксперимента?

        • Какого цвета был раствор сульфата меди (II) после эксперимента?

        • Осмотрите два электрода, что вы наблюдаете?

        • Какой заряд на каждом электроде?

        • Какой электрод является анодом, а какой катодом?

        Наблюдения

        • Исходный синий цвет раствора остается неизменным на протяжении всего эксперимента.

        • Похоже, что медь была осаждена на одном из электродов (она увеличилась в массе), но растворила на другом (она уменьшилась в массе). {2 +} \) сталкиваются с отрицательно заряженным электродом, они приобретают электроны и восстанавливаются с образованием металлической меди.{2 +} (\ text {aq}) \) ионы, вызывающие уменьшение массы. Атомы меди электрода, подключенного к отрицательному выводу (катоду), восстановились до твердой меди, что привело к увеличению массы. Этот процесс называется электролиз и очень полезен при очистке металлов.

          Обратите внимание, что катод отрицательный, а анод положительный. Восстановление все еще происходит на катоде (Red Cat), а окисление все еще происходит на аноде (An Ox).

          Электролиз воды

          Август Вильгельм фон Хофманн был немецким химиком, который изобрел ячейку Гофмана, которая использует ток для образования \ (\ text {H} _ {2} (\ text {g}) \) и \ (\ text {O} _ {2} (\ text {g}) \) из воды путем электролиза.

          Вода может подвергаться электролизу с образованием газообразного водорода и газообразного кислорода в соответствии со следующей реакцией:

          \ (2 \ text {H} _ {2} \ text {O} (\ text {l}) \) \ (\ to \) \ (2 \ text {H} _ {2} (\ text {g }) + \ text {O} _ {2} (\ text {g}) \)

          Рисунок 13.7: Аппарат Гофмана для электролиза воды.

          Эта реакция очень важна, поскольку газообразный водород может использоваться в качестве источника энергии. Электролитическая ячейка для этой реакции состоит из двух электродов, погруженных в электролит и подключенных к источнику электрического тока (Рисунок 13.{-} \ to \ text {H} _ {2} \ text {(g)}} \)

          Неформальный эксперимент — электролиз йодида натрия и воды. Было бы желательно проверить, течет ли ток через карандаши, так как грифель карандаша может сломаться. Если у вас есть доступ к графитовым стержням, их можно использовать вместо них. Во второй части эксперимента должно наблюдаться очевидное изменение цвета, когда фенолфталеин и \ (\ text {NaOH} \) смешиваются на катоде.

          Ученики должны работать с концентрированной сильной кислотой.Концентрированные сильные кислоты могут вызвать серьезные ожоги. Напоминайте учащимся, что при обращении со всеми химическими веществами, особенно концентрированными кислотами, необходимо быть осторожными и носить соответствующее защитное снаряжение. Средства защиты включают перчатки, защитные очки и защитную одежду.

          Электролиз йодида натрия и воды

          Цель

          Для исследования электролиза воды и йодида натрия.

          Аппарат

          • \ (\ text {4} \) карандаши, медная проволока, прикрепленная к зажимам типа «крокодил», \ (\ text {9} \) \ (\ text {V} \) батарея, \ (\ text {2} \) мензурки, точилка для карандашей, шпатель, стеклянный стержень

          • дистиллированная вода, йодид натрия (\ (\ text {NaI} \)), фенолфталеин, \ (\ text {1} \) \ (\ text {мол.{-3} $} \) раствор серной кислоты (\ (\ text {H} _ {2} \ text {SO} _ {4} \))

          Метод

          1. Обозначьте один стакан 1 и наполовину заполните его дистиллированным \ (\ text {H} _ {2} \ text {O} \).

          2. Заточите оба конца двух карандашей. Снимите часть дерева, чтобы обнажить больше графита. (Графитовые стержни можно использовать вместо карандашей, если они есть).

          3. Присоедините один конец зажимов «крокодил» к карандашам, а другой конец — к батарее.{3} $} \) раствора \ (\ text {H} _ {2} \ text {SO} _ {4} \) в стакан. Наблюдайте, что происходит.

          4. Обозначьте второй стакан 2 и добавьте в стакан \ (\ text {5} \) кончики шпателя \ (\ text {NaI} \).

          5. Наполовину заполните химический стакан \ (\ text {2} \) дистиллированным \ (\ text {H} _ {2} \ text {O} \) и перемешайте стеклянной палочкой, пока весь йодид натрия не растворится.

          6. Повторите шаги \ (\ text {2} \) — \ (\ text {4} \) со вторым набором карандашей.

          7. Через несколько минут добавьте \ (\ text {3} \) — \ (\ text {4} \) капли фенолфталеина в стакан. Наблюдайте, что происходит.

          Вопросы

          • В стакане 1 :

            1. Что произошло, когда карандаши впервые были опущены в воду?

            2. Что произошло, когда в стакан добавили серную кислоту?

            3. Почему в этой реакции необходима серная кислота?

            4. Что происходит с отрицательным электродом (карандаш, прикрепленный к отрицательной клемме аккумулятора)?

            5. Что происходит с положительным электродом (карандаш, прикрепленный к положительной клемме аккумулятора)?

            6. Какой электрод является анодом, а какой катодом?

          • В стакане 2 :

            1. Что произошло, когда карандаши впервые были опущены в воду?

            2. Что происходит на отрицательном электроде?

            3. Что происходит на положительном электроде?

            4. Какой электрод является анодом, а какой катодом?

            5. Что произошло, когда вы добавили фенолфталеин? Почему произошла смена?

          Результаты

          • При электролизе воды два иона \ (\ text {H} ^ {+} \) каждый приобретают электрон (восстанавливаются) и объединяются, образуя газообразный водород (\ (\ text {H} _ {2} (\ text {g}) \)):

            \ (2 \ text {H} ^ {+} (\ text {aq}) + 2 \ text {e} ^ {-} \) \ (\ to \) \ (\ text {H} _ {2} (\ text {g}) \)

            Два иона \ (\ text {O} ^ {2 -} \) каждый теряют по два электрона (окисляются) и объединяются, образуя газообразный кислород (\ (\ text {O} _ {2} (\ text {g}) \)):

            \ (2 \ text {O} ^ {2 -} (\ text {aq}) \) \ (\ to \) \ (\ text {O} _ {2} (\ text {g}) + 4 \ текст {e} ^ {-} \)

          • Когда положительные ионы \ (\ text {H} ^ {+} \) сталкиваются с отрицательным электродом, они восстанавливаются.Ионы {2 -} \) попадают на положительный электрод и окисляются. Окисление — это потеря электронов на аноде, поэтому положительный электрод является анодом.

          • Помните, что чистая вода не проводит электричество. Итак, для протекания реакции необходим электролит (например, серная кислота).

          • Соль, растворенная в воде, также является электролитом, поэтому во втором стакане нет необходимости в серной кислоте.{-} \) \ (\ to \) \ (\ text {Na} (\ text {s}) \)

            \ (\ text {Na} (\ text {s}) \) очень реагирует с водой:

            \ (2 \ text {Na} (\ text {s}) + 2 \ text {H} _ {2} \ text {O} (\ text {l}) \) \ (\ to \) \ (2 \ text {NaOH} (\ text {aq}) + \ text {H} _ {2} (\ text {g}) \).

          • Помните, что фенолфталеин становится розовым в присутствии основания. Поэтому, когда добавляется фенолфталеин, вода вокруг отрицательного электрода должна стать розовой из-за \ (\ text {NaOH} \).

          Заключение

          Подача электрического тока на воду расщепляет молекулы воды и вызывает образование газообразного водорода и кислорода. Это может произойти только в присутствии электролита (например, серной кислоты). Растворенный в воде йодид натрия также является электролитом и обеспечивает электролиз воды. Однако катион и анион соли также будут вступать в реакцию. \ (\ text {NaOH} \) образуется на катоде, а твердый йод образуется на аноде.

          Ты справишься! Позвольте нам помочь вам учиться с умом для достижения ваших целей. Siyavula Practice направит вас в удобном для вас темпе, когда вы задаете вопросы в Интернете.

          Зарегистрируйтесь, чтобы улучшить свои оценки

          Гальванические и электролитические элементы

          Упражнение 13.4

          Как называется этот процесс?

          Происходит ли восстановление на электроде, на котором образовался осадок?

          Да. Уменьшение — это выигрыш электронов. {-} \) \ (\ to \) \ (\ text {Pb } (\ text {s}) \)

          Нарисуйте простую схему электролитической ячейки.

          На диаграмме покажите направление, в котором течет ток.

          Помните, что обычный ток идет в направлении, противоположном потоку электронов.

          Заполните таблицу ниже, чтобы обобщить информацию о гальванических и электролитических элементах:

          00

          00

          0000

          00

          00

          0000

          00

          00

          00

          00

          00

          00

          Гальванические элементы

          Электролитические ячейки

          спонтанность

          катод

          набор элементов

          00 спонтанные

          00 спонтанные реакции

          00

          Гальванические ячейки

          Электролитические ячейки

          спонтанность

          спонтанные реакции

          преобразует химический потенциал

          энергия в электрическую энергию

          преобразует электрическую энергию в

          химическая потенциальная энергия

          анод

          отрицательный , окисление

          происходит на аноде

          положительно , окисление

          происходит на аноде

          катоде

          положительный , уменьшение

          происходит на катоде

          отрицательно , уменьшение

          происходит на катоде

          установка ячейки

          две полуэлементы, одна

          электрода в каждом,

          соединены соляным мостиком

          одна ячейка, оба электрода в

          Ячейка

          , без солевого моста

          Гальваническая и электролитическая ячейки

          Гальванические и электролитические элементы

          В нашем отделении по мониторингу диабета внедрены электрохимические и электрохимические элементы.Вы можете просмотреть эту страницу здесь. Электрохимические ячейки находятся в цепи , которая позволяет переносить электроны через нее. Ячейка включает:

          • анод электрод, на котором происходит окисление
          • a катод , электрод, на котором происходит восстановление
          • и электролит , чтобы обеспечить проводимость ионов внутри раствора в каждой половине ячейки
          • солевой мостик или полупроницаемая мембрана , чтобы обеспечить проводимость ионов между половинными ячейками
          • внешняя цепь , которая соединяет два электрода, включает провода, нагрузку и измерители

          Гальванические элементы

          Электрохимический элемент, выделяющий энергию, называется гальваническим элементом .Электрохимическая реакция имеет отрицательное значение свободной энергии Гиббса и положительную разность потенциалов ячейки.

          Ниже представлена ​​гальваническая ячейка, в которой реакция между A + и B является экзотермической с G, равным -10 кДж / моль при стандартных условиях и значением E 0 , равным 0,10 В.




          Водородный электрод и полуреакции

          У нас есть таблицы, которые показывают полуреакции восстановления. Как их получить?

          Электрохимическая реакция в электрохимической ячейке требует как полуреакции восстановления, так и полуреакции окисления.Вольтметр в цепи показывает полное напряжение элемента ( E до = E красный + E ox ). Мы можем определить потенциалы половины ячейки, измерив напряжение ячейки, которая включает эту половину ячейки вместе со стандартной полуячейкой с известным потенциалом.

          Принятым стандартным электродом является водородный электрод. Он состоит из полуячейки с инертным металлическим электродом, H 2 (г) при давлении 1 атмосфера, и 1 М водного раствора кислоты.

          В режиме восстановления:

            2H + + 2e H 2
            E красный = 0,00 В

          В режиме окисления:
            H 2 2H + + 2e
            E красный = 0,00 В

          Здесь вы можете видеть, что потенциал полуэлемента, в котором Cu +2 восстанавливается до Cu, составляет 0,34 В.
          восстановление Cu +2 + 2e Cu E красный = x
          окисление H 2 2H + + 2e E вол = 0.00 В
          нетто Cu +2 + H 2 Cu + 2H + E до = 0,34 В

          Ячейки электролитические

          В электролитической ячейке протекает эндотермическая химическая реакция. Реакция не является спонтанной, поэтому требуется источник энергии. Энергия хранится в электрохимической ячейке. Эта энергия может быть высвобождена, когда элементу разрешено работать в гальваническом режиме.

          Справа вверху — гальванический элемент, который мы видели ранее. Молекулы A и B + образуются, и выделяется энергия. Электрод на левой стороне ячейки является катодом, потому что A + уменьшается до A на этом электроде.

          Вверху слева такая же ячейка в электролитическом режиме. Источник энергии заставляет реакцию идти в направлении, противоположном спонтанному направлению. Сейчас производятся A + и B. Электрод справа является катодом, потому что здесь B + уменьшено до B.

          Назад Компас Таблицы Индекс Вступление Следующий

          Гальванический элемент | Эрик Ван Дорнсхульд

          Гальванический элемент вырабатывает электрическую энергию (электричество) из спонтанной химической энергии (окислительно-восстановительные реакции). На рисунке ниже (из OpenStax) медная проволока погружена в водный раствор, содержащий Ag + .

          Происходит окислительно-восстановительная реакция из-за спонтанного переноса электронов от меди к раствору серебра, и образуется осадок серебра.{2 +}} (водн.) + \ Mathrm {2Ag} (s) \ end {align *} \]

          Можно разделить раствор меди и серебра и при этом провести окислительно-восстановительную реакцию. Это позволяет нам воспользоваться преимуществом движения электронов от меди к раствору серебра, перемещая их по проводу (электричеству) и превращая его в работу. Это приводит нас к гальваническому элементу.

          Анатомия гальванического элемента


          Ниже приведен рисунок гальванического элемента для окислительно-восстановительной реакции, представленный выше.

          Анатомия

          1. Окисление происходит на аноде (-) .- \]

            1. Электроны, образовавшиеся в результате реакции окисления (в 1), проходят через проволоку и создают напряжение (здесь показано как +0,46 В) на катоде. Электроны самопроизвольно перетекают от низкого потенциала к высокому потенциалу , создавая положительное напряжение.

            2. Восстановление происходит на катоде (+) . Ag + ( водн. ) осаждается из раствора AgNO 3 и осаждается в виде твердого Ag на катоде. Катод набирает массу .- \ longrightarrow \ mathrm {2Ag} (s) \]

              1. NaNO 3 солевой мостик содержит соль и необходим для баланса заряда .

              2. Катодная полуэлемент подвергается накоплению отрицательного заряда , поскольку он получает e от анода. Солевой мостик обеспечивает положительный заряд (здесь Na + ) для сохранения нейтрального заряда катода.

              3. Анодный полуэлемент испытывает накопление положительного заряда , поскольку он теряет e на катоде.+} (вод., 1 M) ~ \ rvert ~ \ mathrm {Ag} (s) \] или, более подробно,

                \ [\ mathrm {Cu} (s) ~ \ lvert ~ \ mathrm {Cu (NO_3)} (водный, 1 ~ M) ~ \ rvert \ lvert ~ \ mathrm {AgNO_3} (водный, 1 M) ~ \ rvert ~ \ mathrm {Ag} (s) \]

                Концентрации могут быть нестандартными и варьироваться в зависимости от полуячейки.

                \ [\ mathrm {Cu} (s) ~ \ lvert ~ \ mathrm {Cu (NO_3)} (водный, 0,1 ~ M) ~ \ rvert \ lvert ~ \ mathrm {AgNO_3} (водный, 0,25 M) ~ \ rvert ~ \ mathrm {Ag} (s) \]

                Электроды

                Диаграммы ячеек

                могут также содержать информацию об инертных электродах. {2 +}} (водн.) ~ \ vert ~ \ mathrm {Pt} (s) \]

                Потенциал ячеек


                Рассмотрим снова следующую окислительно-восстановительную реакцию.+} (водн.) ~ \ rvert ~ \ mathrm {Ag} (s) \]

                Почему электроны текут от меди к серебру? Почему электроны не текут в обратном направлении от серебра к меди? Это происходит потому, что электроны спонтанно перетекают от низкого потенциала к высокому потенциалу , создавая положительное напряжение. То есть медь имеет более низкий потенциал, чем серебро. Электронный поток в этой окислительно-восстановительной реакции генерирует +0,46 В, потенциал ячейки. Потенциал ячейки E ° ячейки представляет собой разность между потенциалом E ° для меди и потенциалом для серебра.+} (вод.) ~ \ rvert ~ \ mathrm {H_2} (g) \]

                Оба полуэлемента идентичны и, следовательно, имеют одинаковый потенциал. Следовательно, потенциал ячейки для этого равен 0 В, и каждая половина реакции определяется как имеющая потенциал 0 В. -} \]

                Создайте эту половину ячейки и подключите ее к SHE .Происходит окислительно-восстановительная реакция, и потенциал ячейки E ячейки = +0,34 В. Мы можем определить потенциал реакции восстановления меди таким образом, что

                \ [\ begin {align *} E _ {\ mathrm {cell}} & = E _ {\ mathrm {Cu}} — E _ {\ mathrm {SHE}} \\ 0.34 ~ \ mathrm {V} & = E _ {\ mathrm {Cu}} — 0 ~ \ mathrm {V} \\ 0,34 ~ \ mathrm {V} & = E _ {\ mathrm {Cu}} \ end {align *} \]

                Следовательно,

                • E SHE = 0 В (по определению)
                • E Cu / Cu 2+ = +0.{2 +} (водн.) ~ \ Lvert ~ \ mathrm {Cu} (s)} \]

                  Стандартные понижающие потенциалы

                  Потенциалы были тщательно измерены (с использованием описанного выше процесса) при стандартных условиях и температуре 25 ° C и занесены в таблицу. Ниже приведен список стандартных потенциалов восстановления для некоторых веществ в порядке убывания. Дополнительные сведения о клеточных потенциалах см. В Приложении L.

                  F 2 ( г ) + 2 e 2F ( водн. ) +2.87
                  Au 3+ ( водн. ) + 3 e Au ( с ) +1,50
                  Класс 2 ( г ) + 2 e 2Cl ( водн. ) +1,36
                  Br 2 ( л ) + 2 e 2Br ( водн. ) +1.09
                  Ag + ( водн. ) + e Ag ( с ) +0,80
                  Fe 3+ ( водн. ) + e Fe 2+ ( водн. ) +0,77
                  I 2 ( с ) + 2 e 2I ( водн. ) +0.54
                  Cu 2+ ( водн. ) + 2 e Cu ( с ) +0,34
                  2H + ( водн. ) + 2 e H 2 ( г ) 0
                  Pb 2+ ( водн. ) + 2 e Pb ( с ) –0.13
                  Ni 2+ ( водн. ) + 2 e Ni ( с ) –0,26
                  Co 2+ ( водн. ) + 2 e Co ( с ) –0,28
                  Fe 2+ ( водн. ) + 2 e Fe ( с ) –0.45
                  Zn 2+ ( водн. ) + 2 e Zn ( с ) –0,76
                  Cr 2+ ( водн. ) + 2 e Cr ( с ) –0,913
                  Al 3+ ( водн. ) + 3 e Al ( s ) –1.66
                  мг 2+ ( водн. ) + 2 e Мг ( с ) –2,37
                  Na + ( водн. ) + e Na ( с ) –2,71
                  К + ( водн. ) + e К ( с ) –2.93
                  Li + ( водн. ) + e Li ( с ) –3,04

                  Помните, что электроны спонтанно перетекают от низкого потенциала к высокому. Это означает, что если у вас есть две половинные реакции и вы хотите определить потенциал ячейки, то полуячейка с более низким потенциалом отображается ниже в таблице, а полуячейка с более высоким потенциалом отображается выше в таблице.- \ longrightarrow \ mathrm {Zn} (s) \)

              Теперь мы хотим определить, каков стандартный потенциал ячейки, E ° ячейки . Сначала мы определяем, что подвергнется окислению, а что восстановлению. Для этого просто найдите эти реакции в таблице. То, что ниже, подвергнется окислению, а большее — восстановлению. Мы легко делаем вывод, что полуреакция Zn подвергнется окислению, тогда как полуреакция Fe 3+ подвергнется восстановлению.{\ circ} \\ & = (0,77 ~ \ mathrm {V}) — (-0,76 ~ \ mathrm {V}) \\ & = 1.53 ~ \ mathrm {V} \ end {align *} \]

              Этот гальванический элемент вырабатывает очень небольшое напряжение при использовании этих двух полуреакций. Для справки, стандартная батарея AA выдает 1,5 В, стандартная батарея AAA дает 1,5 В, а стандартная 9-вольтовая батарея дает, ну, 9 В.

              Пример

              Каков стандартный потенциал ячейки для следующего гальванического элемента?

              \ [\ mathrm {Cr} (s) ~ \ rvert ~ \ mathrm {Cr ^ {2 +}} (водн.

              Добавить комментарий

              Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *