Концентрационный гальванический элемент: Концентрационный элемент — это… Что такое Концентрационный элемент?

Концентрационный гальванический элемент — Студопедия.Нет

Если привести в соприкосновение два раствора различных концентраций одного и того же электролита, то начнется самопроизвольный процесс их выравнивания. Этот процесс сопровождается уменьшением энергии Гиббса, поэтому он может служить источником ЭДС. Гальванический элемент, составленный из двух полуэлементов, отличающихся друг от друга только концентрацией электролитов, называется концентрационным. Примером такого элемента может служить цепь, составленная из двух серебряных электродов:

Ag | AgNO3 || AgNO3 | Ag .

1)     (С2)

Потенциалопределяющей является реакция:

Ag+ + e == Ag.

Пусть в этой цепи концентрация раствора AgNO3 в левом полуэлементе (С1) меньше, чем в правом (С2). Электродный потенциал металлического (серебряного в данном случае) электрода, в соответствии с уравнением Нернста, равен:

где С(Ag+) — концентрация ионов серебра в растворе. Так как металл обоих электродов один и тот же, стандартные потенциалы Е

0(Ag) левого и правого электродов равны. Концентрации ионов серебра в растворах различны в левом и правом полуэлементах, поэтому электродные потенциалы левого и правого электродов также различаются — правый электрод имеет более положительный заряд, чем левый. ЭДС такого концентрационного гальванического элемента равна:

E = Еправ — Елев.

Подставляя в последнее выражение Еправ и Елев, рассчитанные по уравнению Нернста, получаем:

.                                        2.9

Из (II.9) следует, что величина ЭДС концентрационного гальванического элемента определяется логарифмом отношения концентраций электролитов. Это отношение изменяется не больше чем на два-три порядка, поэтому ЭДС цепей такого типа не превышает 0.2-0.3 В.

При замыкании внешней цепи электроны с левого электрода переходят на правый. Система стремится к восстановлению нарушенного равновесия за счет ускорения реакции окисления на левом электроде и реакции восстановления на правом. В результате концентрация ионов С

2 в правом приэлектродном пространстве уменьшается, а в левом (С1) — возрастает. Когда концентрации растворов сравняются, ЭДС цепи станет равной нулю.

 

Измерение ЭДС гальванического элемента компенсационным методом

В реальных условиях гальванические элементы работают необратимо, поэтому в работу превращается лишь часть изменения энергии Гиббса реакции, протекающей в элементе. Особенностью электрохимического процесса в гальваническом элементе является возможность его проведения в условиях, близких к обратимости.

Для измерения ЭДС гальванического элемента нельзя использовать обычный низкоомный вольтметр, поскольку его включение во внешнюю цепь нарушает электродные равновесия вследствие протекания значительного тока во внутренней цепи вольтметра. При замыкании внешней цепи гальванического элемента нарушаются термодинамические равновесия на межфазных границах металл — раствор, например, в медно-цинковом элементе ускоряются процессы окисления цинка и восстановления меди. Концентрация ионов цинка у поверхности цинкового электрода увеличивается по сравнению с ее равновесным значением, а концентрация ионов меди у поверхности медного электрода уменьшается. Изменение концентраций ионов уменьшает ЭДС элемента по сравнению с равновесным значением, и тем сильнее, чем больше сила тока в цепи.

Для измерения равновесной величины ЭДС гальванического элемента необходимо обеспечить бесконечно медленное протекание процесса, т.е. протекание во внешней цепи элемента бесконечно малого тока. Поэтому для измерения ЭДС гальванических элементов применяют потенциометры с компенсационной схемой, когда ЭДС элемента компенсирована противоположно направленной ЭДС внешнего источника. Такой прием позволяет измерять ЭДС при практическом отсутствии тока в цепи, т.е. когда элемент не работает и его ЭДС максимальна. Высокочувствительные гальванометры позволяют измерять токи 10

-8-10-9 А, а прохождение через электролит такого слабого тока даже в течение многих лет не приводит к выделению на электродах заметных количеств вещества.

Схема измерения ЭДС гальваничес­кого элемента компенсационным методом приведена на рис. II.6. В измерительную схему включают внешний источник ЭДС (И ) таким образом, чтобы его ЭДС была направлена навстречу измеряемой ЭДС гальванического элемента (X). С помощью подвижного контакта С можно отбирать произвольную часть ЭДС внешнего источника. Перемещением контакта С вдоль реохорда (проволочного сопротивления) находят такое положение контакта, когда гальванометр (Г ) показывает отсутствие тока в цепи АХГС. Это означает, что часть ЭДС внешнего источника, снимаемая с отрезка АС реохорда, практически полностью компенсирует ЭДС элемента (X) Величина тока в цепи определяется отношением Е

Х / RХ, где RХ — сопротивление участка АС реохорда.

Чтобы отказаться от измерения тока в цепи, перед определением ЕХ вместо элемента Х в измерительную схему включают другой элемент, э.д.с. которого известна. Например, э.д.с. стандартного (нормального) элемента Вестона (N) при 293 К равна 1.0183 В, она хорошо воспроизводится и практически не зависит от температуры.

Рис.2.6. Схема измерения ЭДС компенсационным методом

 

Пусть э.д.с. элемента N компенсируется частью э.д.с. внешнего источника, снимаемой с участка реохорда AD, тогда ток в цепи определяется отношением ЕN / RN, где RN — сопротивление участка АD реохорда. Сопротивление участка реохорда пропорционально его длине, поэтому

      откуда          2.10

В настоящее время для измерения ЭДС применяют высокоомные потенциометры различных конструкций, содержащие все элементы компенсационной установки. Измерение ЭДС компенсационным методом при помощи потенциометров дает весьма точные результаты при измерениях электродных потенциалов или опытном определении неизвестной ЭДС. Но этот метод неприменим, если внутреннее сопротивление элемента велико, например, у гальванических цепей со стеклянным электродом. Значения электродвижущей силы гальванического элемента определяют непосредственно на чувствительных вольтметрах постоянного тока с сопротивлением от 108 до 109 Ом и отсчетом до 1 мВ. Через такой вольтметр течет очень маленький ток, поэтому измеренная ЭДС практически не отличается от измеренной на компенса­ционной установке.

Для измерений ЭДС некомпенсационным методом применяют ламповые потенциометры, ламповые милливольтметры, рН-метры и ионометры различных конструкций. Шкалы приборов отградуированы в милливольтах или единицах рН. Метод используют для потенциометрического титрования и в ионометрии.

При измерениях ЭДС электрохимических цепей некомпенсационным методом надо учитывать, что проходящий через элемент ток более 10

-5 А вызывает концентрационную и химическую поляризацию и измеренная ЭДС меньше равновесного значения.

 

Концентрационные гальванические элементы

Концентрационные гальванические элементы

В концентрационных элементах эдс возникает за счёт выравнивания концентраций двух растворов одного и того же электролита.

К концентрационным относятся элементы, в которых происходит самопроизвольное выравнивание давлений двух газовых электролитов с одинаковым материалом электродов и одинаковыми электролитами.

Примером концентрационного элемента первого вида может служить элемент, состоящий из двух медных электродов, погруженных в сосуды с растворами сульфата меди разной концентрации:

(-)CuICuSO4ICuSO4ICu(+)

a'(разб) –увеличивается, а’’(конц)- уменьшается

Таким образом, суммарный процесс заключается в том, что концентрация более концентрированного раствора электролита уменьшается, а более разбавленного увеличивается.

В такой цепи эдс складывается из двух электродных потенциалов (ϕ+ и ϕ) и одного диффузионного (ϕд):

(-)CuSO4(a’)ICuSO4(a’’)ICu(+)

Не учитывая диффузионный потенциал, найдём выражение для эдс как разность электродных потенциалов:

Е=ϕ+=RT/zF*ln a’’Cu2+/a’Cu2+

Из полученного уравнения следует:

Чем больше разница в активностях (концентрациях) электролитов, тем больше ЭДС концентрационного элемента.

Для исследования концентрационных элементов собирают цепь из двух элементов, соединённых навстречу друг другу.

-FeIFeSO4IHg2-Cl2, Hg, Hg2+Cl2IFeSO4IFe+

a’+- a’+- ≠ a”+- a”+-

Чем больше различия между активностями, тем больше эдс.

II. Деление на цепи с переносом и без переноса связано с присутствием диффузионного потенциала при работе гальванического элемента. Если диффузионный потенциал присутствует, то такие цепи с переносом; если диффузионный потенциал присутствует, то – без переноса.

Классификации гальванических элементов не связаны друг с другом и мало затрагивают химический характер процессов, протекающих на электроде.

Компенсационный метод измерения эдс основан на последовательном включении гальванического элемента против внешней разности потенциалов, которая подбирается таким образом, чтобы ток в цепи отсутствовал.


Дата добавления: 2015-07-11; просмотров: 161 | Нарушение авторских прав


 

 

Читайте в этой же книге: Равновесие жидкость-пар. | Изменение температуры кипения растворов | Недостатки теории Аррениуса | Природа реагирующих веществ | Обратимые и необратимые; | Чем больше диэлектрическая проницаемость растворителя, тем большее влияние он оказывает. | По состояния адсорбированного слоя | Общая характеристика пористых адсорбентов | I тип, изотерма Ленгмюра | Гомогенный катализ; |
mybiblioteka.su — 2015-2022 год. (0.022 сек.)

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЙ КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Статья поступила в редакцию 13.07.15. Ред. рег. № 2378

The article has entered in publishing office 13.07.15. Ed. reg. No. 2378

УДК 620.92:621.311.24

doi: 10.15518/isjaee.2015.21.014

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЙ КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

Б.Д. Бабаев

Дагестанский государственный университет Республика Дагестан, 367025 Махачкала, ул. М.Гаджиева, 43а Тел.: 8(988)4689985, e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 18.07.15 Заключение совета экспертов: 23.07.15 Принято к публикации: 28.07.15

В статье предлагается новый возобновляемый концентрационный гальванический элемент, который включает два одинаковых электрода, погруженных в раствор разных концентраций, отличающийся тем, что один из электродов погружается в русло реки у его стока в море или океан, а другой электрод погружается в соленую морскую воду. Получаемый постоянный ток используется для получения водорода из морской воды в электролизере. Приведен конкретный пример исполнения на стоке реки Сулак в Каспийское море.

Ключевые слова: возобновляемая энергетика, концентрационный гальванический элемент, первичная батарея, разность потенциалов, электрод, электролиз, водород.

RENEWABLE CONCENTRATION GALVANIC CELL AND ITS USE FOR OBTAINING HYDROGEN

B.D. Babaev

Daghestan State University 43a Gadzhieva str., Makhachkala, 367025, Daghestan, Russia Tel.: 8(988)4689985, e-mail: [email protected]

Referred: 18.07.15 Expertise: 23.07.15 Accepted: 28.07.15

The paper proposes a new renewable concentration galvanic element, which includes two identical electrode immersed in a solution of different concentrations, wherein one of the electrodes is immersed in the bed of the river at its outflow into the sea or ocean, and the other electrode is immersed in salt water. The resulting direct current is used to produce hydrogen from sea water in the electrolytic cell. Some specific example of the execution flow of the Sulak river into the Caspian sea.

Keywords: renewable energy, concentration galvanic cell, primary battery, the potential difference, electrode, electrolysis, hydrogen.

Баба Джабраилович Бабаев Baba D. Babaev

Сведения об авторе: доцент каф. «Возобновляемые источники энергии» ДГУ. Образование: Московский инженерно-строительный институт (МИСИ) (1982). Область научных интересов: химические методы преобразования и аккумулирования энергии.

Публикации: 126 статей и 15 патентов.

Information about the author: associate professor, Dagestan State University. Education: Moscow Engineering and Construction Institute (1982). Research area: chemical methods for the conversion and energy storage. Publications: 126 articles and 15 patents.

№ 21 (185) Международный научный журнал

Водородная экономика. Водородная экономика. Методы получения водорода

Введение

Поиску новых энергоемких теплоаккумулирую-щих материалов при использовании возобновляемых источников энергии в последнее время уделяется большое внимание [1, 2]. Одним из основных материалов, используемых в комбинированных системах энергоснабжения от возобновляемых источников энергии, является водород. Водород — энергоемкое химическое топливо, и продуктом сгорания водорода является только вода, что важно с точки зрения влияния на окружающую среду.

Существуют разные физические и химические способы получения водорода. Наиболее распространенным и глубоко исследованным электрохимическим методом получения водорода является электролиз. Он позволяет получать газ чистотой до 99,9%. Но расход энергии от традиционных источников на его получение превышает энергоемкость. И он может быть экономически выгоден при невысокой стоимости электроэнергии.

Поэтому важное значение имеет использование для получения водорода дешевых и альтернативных возобновляемых источников энергии.

Теоретический анализ

Как известно, источником получения постоянного тока служит концентрационный гальванический элемент, состоящий из двух одинаковых электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, но с разной концентрацией [3].

Медный электрод, погруженный в разбавленный раствор ионов Си2+ (а2), приобретает при этом потенциал, менее положительный по отношению к раствору, чем электрод, погруженный в более концентрированный раствор (а1). +

2,3RT

lg а2.

ЭДС такой цепи (без учета диффузионного потенциала фд) будет определяться согласно уравнению Нернста [3]:

2,3RT а1 E = Ф1 -Ф2 =-lg—.

n a.

(1)

Это повысит его ресурс, время непрерывной работы, и при этом нет необходимости приготовления растворов разных концентраций.

Один из таких способов заключается в том, что один электрод погружается в русло реки у его стока в море или океан, а другой электрод погружается в соленую морскую воду [4].

Недостатком такого (гальванического элемента) способа получения постоянного тока является трудоемкость приготовления растворов разных концентраций, выравнивание концентрации со временем, когда гальванический элемент перестает давать ток.

Задачей был поиск новых способов получения постоянного тока, где использовались бы существующие возобновляемые природные источники в качестве компонентов гальванического элемента.

Схема возобновляемого концентрационного гальванического элемента и получения водорода The scheme of renewable concentration galvanic cell and hydrogen production

На рисунке схематически показан концентрационный гальванический элемент, состоящий из электрода 1, погруженного в русло реки 2, электрода 3, погруженного в море 4, и электролитического ключа 5, заполненного раствором KCl, электролизер 6 для электролиза воды и газгольдер 7 для хранения водорода.

Конкретный пример выполнения гальванического элемента

Теоретически минимальное напряжение, при котором начинается разложение воды, равно напряжению гальванической ячейки при стандартных условиях 1,23 В, а на практике — 1,44 В.

Если электрод 1 погрузить в русло реки Сулак, суммарное содержание ионов (Са2+, Mg2+, №+ + К+, НСО-, 804-, С1-, СО-, КО-) которой согласно [5] в фазе весенне-летнего половодья при наименьшей водности фазы по расходу воды составляет 0,2377 г/л, а электрод 2 в морскую воду Каспийского моря, суммарное содержание тех же ионов которой, по данным Госкомитета по природе и природопользованию, составляет 12,776 г/л, то ЭДС такой цепи при стандартных условиях (температура 25 °С и 1 атм) будет (без учета диффузионного потенциала фд ) согласно (1) равна

Е 2,3ЛГ. а

Е =-=

п а2

0,059, 12,776

0,2377

s 0,03lg53,8 « 0,05 В.

№ 21 (185) Международный научный журнал

Б.Д. Бабаев. Возобновляемый концентрационный гальванический элемент и его использование для получения водорода

Это подтверждается и проведенными на месте исследованиями.

Подсоединив последовательно 30 таких элементов в батарейку, получим напряжение 1,5 В непрерывно, которое можно использовать для электролиза морской воды и получения водорода (см. рисунок).

Заключение

Таким образом, предлагаемый возобновляемый источник постоянного тока обеспечивает использование существующих возобновляемых природных источников энергии в качестве компонентов гальванического элемента. И полученный постоянный ток можно использовать для электролиза морской воды и получения водорода — энергоемкого топлива. Использование данного метода повышает время работы гальванического элемента и снижает энергозатраты на получение водорода.

Список литературы

1. Соренсен Б. Преобразование, передача и аккумулирование энергии: Учебно-справочное руководство. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2011.

2. Бабаев Б.Д. Принципы теплового аккумулирования и используемые теплоаккумулирующие материалы // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52, № 5. С. 760-776.

3. Левин А.И. Теоретические основы электрохимии. М., 1963. С. 173-174.

4. Бабаев Б.Д. Способ получения постоянного тока. А.с. № 73200400092. ФГУП «ВНТИЦ».

5. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 9, В. 3 / Под ред. Н.М. Алюшинской, П.С. Кузина, В.В. Куприянова. Л.: Гидрометеорологическое изд-во. 1966. С. 294.

References

1. Sorensen B. Preobrazovanie, peredaca i akkumuli-rovanie energii: Ucebno-spravocnoe rukovodstvo. Dolgoprudnyj: Izdatel’skij dom «Intellekt», 2011.

2. Babaev B.D. Principy teplovogo akkumulirovania i ispol’zuemye teploakkumuliruüsie materialy // Teplo-fizika vysokih temperatur. 2014. T. 52, № 5. S. 760-776.

3. Levin A.I. Teoreticeskie osnovy elektrohimii. M., 1963. S. 173-174.

4. Babaev B.D. Sposob polucenia postoannogo toka. A.s. № 73200400092. FGUP «VNTIC».

5. Resursy poverhnostnyh vod SSSR. T. 9, V. 3 / Pod red. N.M. Alüsinskoj, P.S. Kuzina, V.V. Kuprianova. L.: Gidrometeorologiceskoe izd-vo. 1966. S. 294.

Транслитерация по ISO 9:1995

— TATA — OO

№ 21 (185) Международный научный журнал

Принцип работы гальванического элемента

Концентрационный гальванический элемент – это источник тока в состав которого входит 2 однотипных металлических электродов помещенных в смесь солей этого металла в различных концентрациях.

Цинк и медь обладают разной активностью и поэтому их заряд по величине будет различным. В итоге уровень электродов также не однозначен. Это позволяет им перемещаться и производить электрический или гальванический ток. Он начинает протекать, когда любой человек или изобретатель тока хранящего аппарата присоединяет нагрузку. В качестве нее может быть лампочка, приемник, компьютерная мышка и другие электрические устройства.

Схема гальванического элемента

Под схемой подразумевают его состав и устройство. Он может быть выполнен из нескольких химических элементов с применением вспомогательных приспособлений. Ниже об строение гальванического элемента будет рассказано кратко. Подробнее о нем читайте в этой статье!

Устройство гальванического элемента

Самый простой энергетический накопитель состоит из:

  1. Стрежня из угля.
  2. Двух разнородных металлов.
  3. Электролита.
  4. Смола или пластик.
  5. Изолятора.

Устройство и принцип работы гальванического элемента

Металл, погруженный в раствор электролита, называется электродом.

Электроды — это система двух токопроводящих тел — проводников первого и второго рода.

К проводникам первого рода относятся металлы, сплавы, оксиды с металлической проводимостью, а также неметаллические материалы, в частности графит; носители заряда — электроны.

К проводникам второго рода относятся расплавы и растворы электролитов; носители заряда — ионы.

Устройство, состоящее из двух электродов, называется гальваническим элементом.

Рис. 2. Схема медно-цинкового гальванического элемента

Рассмотрим гальванический элемент Якоби—Даниэля (схема приведена на рис. 2). Он состоит из цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка, и медной пластины, погружен­ной в раствор сульфата меди. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой.

В гальваническом элементе электрод, сделанный из более активного металла, т.е. металла, расположенного левее в ряду напряжений, называют анодом, а электрод, сделанный из менее активного металла — катодом.

На поверхности цинкового электрода (анода) возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Zn0 – 2ē Zn2+.

В результате протекания этого процесса возникает электродный потенциал цинка.

На поверхности медного электрода (катода) также возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Cu2+ + 2ē Cu0.

В результате возникает электродный потенциал меди.

Так как потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, то при замыкании внешней цепи, т.е. при соединении цинка с медью металлическим проводником, электроны будут переходить от цинка к меди. В результате этого процесса равновесие на цинковом электроде смещается вправо, поэтому в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. В то же время равновесие на медном электроде сместится влево и произойдет разряд ионов меди.

Таким образом, при замыкании внешней цепи возникают самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и выделения меди на медном электроде. Данные процессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются потенциалы или не растворится весь цинк или не высадится на медном электроде вся медь.

Итак, при работе гальванического элемента Якоби—Даниэля протекают следующие процессы:

1. Анодный процесс, процесс окисления:

Zn0 – 2ē → Zn2+.

2. Катодный процесс, процесс восстановления:

Cu2+ + 2ē → Cu0.

3. Движение электронов во внешней цепи.

4. Движение ионов в растворе: анионов SO42– к аноду, катионов Cu2+ к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

Суммируя электродные реакции, получим:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu.

В результате протекании данной реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т.е. электрический ток. Поэтому суммарную химическую реакцию, протекающую в гальваническом элементе, называют токообразующей реакцией.

Электрический ток в гальваническом элементе возникает за счет окислительно-восстановительной реакции, протекающей так, что окислительные и восстановительные процессы оказываются пространственно разделенными: на отрицательном электроде (аноде) происходит процесс окисления, на положительном электроде (катоде) — процесс восстановления.

Необходимым условием работы гальванического элемента является разность потенциалов электродов. Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента. Она равна разности между потенциалом катода и потенциалом анода элемента:

ЭДС = Eк – Ea . (1)

ЭДС элемента считается положительной, если токообразующая реакция в данном направлении протекает самопроизвольно. Положительной ЭДС отвечает и определенный порядок в записи схемы элемента: записанный слева электрод должен быть отрицательным. Например, схема элемента Якоби—Даниэля записывается в виде:

Zn │ ZnSO4 ║ CuSO4 │ Cu .

Гальванический элемент: схема, принцип работы, применение

Для того чтобы составить схему гальванического элемента, необходимо понять принцип его действий, особенности строения.

Потребители редко обращают внимание на аккумуляторы и батарейки, при этом именно эти источники тока являются самыми востребованными.

Химические источники тока

Что собой представляет гальванический элемент? Схема его основывается на электролите. В устройство входит небольшой контейнер, где располагается электролит, адсорбируемый материалом сепаратора. Кроме того, схема двух гальванических элементов предполагает наличие катода и анода. Как называется такой гальванический элемент? Схема, связывающая между собой два металла, предполагает наличие окислительно-восстановительной реакции.

Простейший гальванический элемент

Он подразумевает наличие двух пластин либо стержней, выполненных из разных металлов, которые погружены в раствор сильного электролита. В процессе работы данного гальванического элемента, на аноде осуществляется процесс окисления, связанный с отдачей электронов.

На катоде – восстановление, сопровождающееся принятием отрицательных частиц. Происходит передача электронов по внешней цепи к окислителю от восстановителя.

Пример гальванического элемента

Для того чтобы составить электронные схемы гальванических элементов, необходимо знать величину их стандартного электродного потенциала. Проанализируем вариант медно-цинкового гальванического элемента, функционирующего на основе энергии, выделяющейся при взаимодействии сульфата меди с цинком.

Этот гальванический элемент, схема которого будет приведена ниже, называют элементом Якоби-Даниэля. Он включает в себя медную пластинку, которая погружена в раствор медного купороса (медный электрод), а также он состоит из цинковой пластины, находящейся в растворе его сульфата (цинковый электрод). Растворы соприкасаются между собой, но для того, чтобы не допускать их смешивания, в элементе используется перегородка, выполненная из пористого материала.

Принцип действия

Как функционирует гальванический элемент, схема которого имеет вид Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Во время его работы, когда замкнута электрическая цепь, происходит процесс окисления металлического цинка.

На его поверхности соприкосновения с раствором соли наблюдается превращение атомов в катионы Zn2+. Процесс сопровождается выделением «свободных» электронов, которые передвигаются по внешней цепи.

Реакцию, протекающую на цинковом электроде, можно представить в следующем виде:

Zn = Zn2+ + 2e-

Восстановление катионов металла осуществляется на медном электроде. Отрицательные частицы, которые попадают сюда с цинкового электрода, объединяются с катионами меди, осаждая их в виде металла. Данный процесс имеет следующий вид:

Cu2+ + 2e- = Cu

Если сложить две реакции, рассмотренные выше, получается суммарное уравнение, описывающее работы цинково-медного гальванического элемента.

В качестве анода выступает цинковый электрод, катодом служит медь. Современные гальванические элементы и аккумуляторы предполагают применение одного раствора электролита, что расширяет сферы их применения, делает их эксплуатацию более комфортной и удобной.

Разновидности гальванических элементов

Самыми распространенными считают угольно-цинковые элементы. В них применяется пассивный угольный коллектор тока, контактирующий с анодом, в качестве которого выступает оксид марганца (4). Электролитом является хлорид аммония, применяемый в пастообразном виде.

Он не растекается, поэтому сам гальванический элемент называют сухим. Его особенностью является возможность «восстанавливаться» на протяжении работы, что позитивно отражается на продолжительности их эксплуатационного периода. Такие гальванические элементы имеют невысокую стоимость, но невысокую мощность. При понижении температуры они снижают свою эффективность, а при ее повышении происходит постепенное высыхание электролита.

Щелочные элементы предполагают использование раствора щелочи, поэтому имеют довольно много областей применения.

В литиевых элементах в качестве анода выступает активный металл, что позитивно отражается на сроке эксплуатации. Литий имеет отрицательный электродный потенциал, поэтому при небольших габаритах подобные элементы имеют максимальное номинальное напряжение. Среди недостатков подобных систем можно выделить высокую цену. Вскрытие литиевых источников тока является взрывоопасным.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 5 чел.
Средний рейтинг: 3.8 из 5.

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).

2+ + 2e-}$$

На каждом электроде полуреакции обратимы, доставляя электроны к электроду и снова забирая их. Это туда и обратно устанавливает разность потенциалов, которую мы можем измерить между электродами.

Я хотел концептуальное объяснение

Для некоторых ответ, основанный на кинетике (например, приведенный выше), считается концептуальным (или частным, а не макроскопическим?). Вот второй способ думать об этом, используя другую, но родственную систему.2+(слева) + Zn(справа)}$$

Опять же, используя вашу логику, теперь потенциал не будет зависеть от концентрации ионов цинка в правой ячейке, потому что теперь это продукт.

Вопрос в том, как полуреакция справа «узнает» изменить направление и перестанет влиять на потенциал через концентрацию ионов цинка. Я надеюсь, что это доведение до абсурда (мне пришлось поискать его) станет убедительным аргументом в пользу того, что концентрации ионов цинка в обеих клетках имеют значение.

Металлоцикл · Гальванические элементы

Гальванические элементы преобразуют химическую энергию в электрическую.В последующем обсуждении мы рассмотрим, как физически устроены гальванические элементы и как мы можем измерить и предсказать напряжение, создаваемое гальваническим элементом известного состава.

Теория гальванических элементов

Основным практическим аппаратом электрохимии является ячейка, устройство, которое преобразует изменение свободной энергии, связанное со спонтанной окислительно-восстановительной реакцией, в электрическую энергию. Хотя процесс преобразования энергии звучит технически, на практике идея довольно проста: мы просто разделяем в пространстве «отдающего» и «получающего» электроны, так что электроны должны течь, чтобы совершить окислительно-восстановительную реакцию.Подумайте об энергии, генерируемой бейсбольным мячом, который перемещается из руки питчера в перчатку кетчера на расстоянии девяноста футов. Разделение бросающего и ловящего позволяет нам использовать энергию мяча во время его полета к домашней пластине. Точно так же, разделив процессы окисления и восстановления в пространстве и соединив их проводящим проводом, мы можем использовать энергию, связанную с током, протекающим по проводу, когда происходят реакции. Устройство, в котором для получения электрического тока используется спонтанная окислительно-восстановительная реакция, называется гальваническим элементом .

Любой практичный гальванический элемент содержит два компонента: «восстановительную» систему, которая высвобождает электроны, и «окислительную» систему, которая поглощает электроны. Однако, ограничиваясь теоретическими ситуациями, мы можем представить себе половину гальванического элемента как аппарат, который либо выпускает электроны в небытие, либо забирает их из небытия. Половина реакции , связанная с такой полуячейкой , включает электроны в свое химическое уравнение: мы обозначаем высвобождение электронов, записывая их со стороны продуктов, и поглощение электронов, записывая их со стороны реагентов.-} \rightarrow \ mathrm{Cu}(s)$$

Как написано, это уравнение представляет «окислительную» систему, которая поглощает электроны из провода. Аппарат для этого электрода выглядит довольно скучно. Кусок металлической меди, прикрепленный к токопроводящему проводу (который также может быть сделан из меди, но не обязательно), погружается в раствор ионов меди (II) и невинного противоаниона.

Концентрация ионов меди(II) в растворе связана с напряжением на элементах, содержащих полуэлемент Cu|Cu 2+ , как мы вскоре увидим.Точно так же, как изменения свободной энергии зависят от концентрации (вспомним \(\Delta G = -RT \ln K\)), напряжение ячейки также зависит от концентрации. Концентрации 1,0 моль/л являются стандартом в электрохимии, поэтому мы можем представить наш стандартный медный электрод в ячейке с обозначением как «Cu|Cu 2+ (1 M)». Вертикальная черта указывает на фазовую границу между твердым металлом меди и водными ионами меди (II).{2+}}(aq)$$

Практические вопросы: солевые мостики и электролиты

Тогда мы можем соединить медный электрод с цинковым и ожидать, что произойдет какое-то волшебство…


Объединение двух полуэлементов: перетекут ли электроны со стороны цинка на сторону меди?

У нас есть металл-восстановитель (Zn), соединенный с супом окисляющих катионов (Cu 2+ ). Разве электроны не должны самопроизвольно двигаться с одной стороны на другую? Вначале они будут, но процесс очень быстро остановится. Почему? Наша нынешняя установка представляет собой разомкнутую цепь: когда электроны движутся слева направо, положительный заряд будет накапливаться слева, а отрицательный — справа.Энергия, необходимая для поддержания этого разделения зарядов, намного больше, чем энергия, которая может быть обеспечена любой окислительно-восстановительной реакцией. После самого незначительного разделения зарядов электроны будут спонтанно течь в другом направлении, чтобы каждый электрод оставался нейтральным. Ток не может течь в разомкнутой цепи!

Нам нужен механизм, возвращающий противоположные заряды в каждую мензурку по мере того, как электроны текут слева направо по проводу. Если бы катионы и анионы в растворе могли каким-то образом перескакивать между стаканами, мы могли бы гарантировать, что даже когда электроны текут по проводу, суммарные заряды на обоих электродах остаются близкими к нулю.Канал, называемый соляным мостом , делает свое дело: ионы могут течь через соляной мостик, чтобы уравновесить заряд, переносимый при движении электронов по проводу. На практике солевой мостик может быть таким же простым, как кусок смоченной фильтровальной бумаги между двумя химическими стаканами. Более сложные солевые мостики представляют собой U-образные трубки с пористыми пробками на обоих концах, которые позволяют ионам течь между стаканами. Невинные ионы (щелочные металлы и анионы, которые повсеместно растворимы в воде, такие как галогениды или нитраты) добавляются к растворам в каждом стакане для увеличения проводимости растворов; эти проводящие растворы называются электролитами .


При установленном соляном мостике суммарный заряд в каждом стакане остается очень близким к нулю при протекании тока.

Этот аппарат имеет все ключевые элементы гальванического элемента: восстанавливающий электрод, который испускает электроны, окислительный электрод, который их поглощает, и солевой мостик, гарантирующий, что каждый электрод поддерживает нулевой суммарный заряд. Восстановительный электрод (Zn|Zn 2+ в нашем примере) называется анодом , а окислительный электрод (Cu 2+ |Cu) называется катодом .Хороший способ запомнить это — отметить, что в соляном мостике ионы кат текут к оде кат , а ионы и текут к оде и . При размещении электрического устройства (например, лампочки) вдоль провода мы можем использовать падение напряжения, связанное с окислительно-восстановительной реакцией, для питания устройства.


В работающем гальваническом элементе катионы движутся к катоду, а анионы — к аноду.

Теперь, когда мы увидели, как устроен типичный гальванический элемент, давайте рассмотрим, как определить напряжение на ячейке.\circ\)) — напряжение на ячейке. Отрицательный знак гарантирует, что отрицательная свободная энергия соответствует положительному напряжению — электрики связывают батареи и другие источники электроэнергии с положительным напряжением. В некотором смысле приведенное выше уравнение просто отражает определение вольта как 1 джоуль на кулон: Кулоны, умноженные на вольты, равны джоулям. Маленькие кружки рядом с \(G\) и \(E\) показывают, что это соотношение для стандартных условий: концентрация всех ионов в растворе 1 моль/л, давление любых газов 1 бар и 25 °C.

Как и энергия, напряжение наиболее полезно как относительная (а не абсолютная) величина. То, что мы определяем как «ноль» напряжения, не столь важно; относительная разница в напряжении («падение» напряжения или разность потенциалов) — это то, что мы используем для фактического выполнения электрических работ. Тем не менее, мы должны согласовать общую нулевую точку, чтобы сделать напряжения, измеренные разными людьми, сопоставимыми, а ноль напряжения для гальванических элементов определяется как напряжение на стандартном водородном электроде (SHE).

Определение SHE как эталона нулевого напряжения предполагает стандартный эксперимент по измерению напряжения других полуэлементов. Мы подключаем интересующий полуэлемент к SHE и измеряем генерируемое таким образом напряжение. Полуэлемент может иметь достаточную окислительную способность, чтобы вытягивать электроны из газообразного водорода, образуя протоны в SHE. В этом случае напряжение, соответствующее полуячейке, положительно (условно). Электроны будут спонтанно течь от SHE к пользовательской полуячейке (что произойдет с pH раствора в SHE?).

Если полуэлемент не может окислять водород в СТЭ, то он должен восстанавливать протоны в СТЭ (если только полуэлемент сам не является СТЭ, в этом случае он ничего не сделает!). Восстановление является обратной реакцией окисления, поэтому если полуэлемент не может окислять водород в СТЭ, то он должен самопроизвольно окисляться протонами в СТЭ. В этом случае напряжение полуячейки будет отрицательным и электроны будут течь в обратном направлении, от полуячейки к СВЭ.

Стандартный эксперимент по измерению напряжения был проведен на всех видах полуэлементов (и этот список продолжает расти по сей день). В таблицах стандартных восстановительных потенциалов перечислены напряжения, связанные с полуячейками. Обратите внимание, что действительное понимание того, что означают напряжения, требует понимания плана стандартного эксперимента (и признания SHE в качестве стандартного электрода). Учтите, что использование невероятно электроположительного электрода Li|Li + в качестве эталона нулевого напряжения сделало бы напряжение почти любого другого электрода положительным — металлический литий почти всегда будет служить анодом и испускать электроны.Согласно соглашению, положительные напряжения соответствуют спонтанному восстановлению полуэлемента под действием СТЭ (поэтому их называют -восстановительными -потенциалами), а отрицательные напряжения соответствуют спонтанному окислению под действием СВЭ.

Напряжения между произвольными ячейками при стандартных условиях

Ни одна практическая батарея не использует стандартный водородный электрод по двум причинам: (1) газообразный водород неудобен в работе, и (2) SHE использует безумно дорогой платиновый электрод.Вместо этого в практичных батареях используются металлы, соли металлов и другие твердые или жидкие вещества, с которыми проще обращаться и которые дешевле. Нас часто интересует расчет ожидаемого напряжения на аккумуляторе этого типа. Прежде чем тратить деньги на создание двух полуэлементов и соединение их друг с другом, мы хотели бы быть достаточно уверенными в том, что полученная батарея будет обеспечивать достаточное напряжение для питания наших устройств! Этот расчет представляет большой интерес для таких компаний, как Energizer и Duracell!

Стандартный эксперимент по измерению напряжения показывает нам напряжение полуэлемента относительно СВЭ, но как мы можем определить напряжение на двух произвольных полуэлементах? Большая идея состоит в том, чтобы использовать тот факт, что свободная энергия Гиббса \(G\) является функцией состояния.Поскольку \(\Delta G\) и \(E\) связаны линейно согласно уравнению (5), напряжение ячейки \(E\) также является функцией состояния: его значение зависит только от тождеств и концентраций реагентов и продукты окислительно-восстановительной реакции, питающей батарею. Путь, по которому мы превращаем реагенты в продукты, не имеет значения; \(E\) будет одним и тем же, как бы мы ни разделили процесс, ведущий от реагентов к продуктам.

Рассмотрим сочетание медных и цинковых электродов, с которыми мы работали до сих пор.{2+}}(водн.)$$

Стандартные потенциалы восстановления меди и цинка кажутся релевантными для этой реакции, но как? Представьте, что мы ввели газообразный водород и протоны в процесс следующим образом. Газообразный водород сначала используется для восстановления меди (II) до меди с двумя протонами в качестве побочного продукта. Эти же два протона затем используются для окисления металлического цинка до цинка (II), регенерируя газообразный водород.\circ \ll 0\)).Это выпадает из математики, когда мы используем уравнение (7), но также согласуется с нашими интуитивными представлениями о свободной энергии. Когда они соединены вместе, электроны будут течь с большой силой от окисленной стороны (помните, что это потеря электронов) к восстановленной стороне. Точно так же, как сильная кислота энергично реагирует с сильным основанием, сильный окислитель сильно оттягивает электроны от сильного восстановителя. И окислительно-восстановительные, и кислотно-основные реакции протекают бурно, потому что свободная энергия Гиббса реагентов намного выше, чем у продуктов реакции.В первом случае мы используем высвободившуюся свободную энергию для выполнения электрической работы в цепи. В последнем случае энергия кислотно-щелочной реакции может выделяться в виде тепла, использоваться для управления фазовым переходом или даже сама превращаться в электрическую работу!

Стандартные потенциалы восстановления основаны не только на SHE, но и на стандартных концентрациях, давлениях и температурах всех реагентов. Любые расчеты, в которых используются только стандартные восстановительные потенциалы, такие как «закон Берделла», неявно предполагают, что все компоненты в клетке находятся в стандартных условиях.Конечно, как только мы действительно подключаем ячейку к нагрузке, ее условия начинают меняться! Как рассчитать напряжение на ячейке, когда ее компоненты находятся в нестандартных условиях?

Напряжения при нестандартных условиях

Прежде чем раскрывать количественные детали расчета нестандартного напряжения, давайте подумаем о проблеме концептуально в контексте кислотно-щелочной химии. Рассмотрим кислотно-щелочную реакцию между гидроксидом и уксусной кислотой (связь с электрохимией станет ясной, поверьте мне).-O_2CCH_3}$$

Если мы хотим выжать из реакции (9) как можно больше энергии, с каких концентраций реагентов и продуктов мы должны начать? Реакция идет самопроизвольно в прямом направлении, поэтому мы должны начать только с реагентов — любые присутствующие продукты ограничивали бы степень реакции, основанной на принципе Ле Шателье. Мы получаем максимальную отдачу от затраченных средств, когда начинаем только с гидроксида и уксусной кислоты. (Так работает большинство химических реакций: продукт — это то, что мы хотим , а не то, что мы имеем .)

Та же идея применима и к окислительно-восстановительным реакциям: мы получаем наибольшее количество электроэнергии от реакции в гальваническом элементе, когда начинаем только с веществами, которые реагируют спонтанно. Однако стандартные условия требуют, чтобы все виды присутствовали в концентрации 1,0 М, что фактически запрещает нам начинать только с реагентов. Например, в нашей цинково-медной ячейке цинк (II) и медь (II) должны присутствовать в ячейке в концентрации 1,0 М, чтобы можно было применить этикетку «стандартные условия».…но медь(II) – это реагент, а цинк(II) – продукт! Ой! Урок здесь заключается в том, что стандартное напряжение не обязательно является оптимальным напряжением.

По аналогии с кислотно-щелочной реакцией увеличение концентрации веществ, которые реагируют спонтанно (и/или уменьшение концентрации продуктов), должно увеличивать наблюдаемое напряжение. Тогда согласно реакции (6) увеличение [Cu 2+ ] и уменьшение [Zn 2+ ] должно увеличивать напряжение на ячейке.{2+}]_{экв.}}}$$

Концентрации в (10) отражают состояние неограниченного равновесия, когда мы позволили ячейке «работать» бесконечное количество времени (другими словами, состояние, когда батарея полностью разряжена). Мы также можем записать частное реакции в той же форме, что и \(K\), которая обобщается на любое ограниченное равновесное состояние клетки. В состоянии ограниченного равновесия соответствующее напряжение «толкает» состояние, чтобы оно оставалось однородным и постоянным во времени.\circ = 1\) обязательно. Стандартное состояние связано с некоторым напряжением и соответствующим изменением свободной энергии согласно уравнению (5). В последующем обсуждении мы будем предполагать, что реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении в стандартном состоянии. Это означает, что \(Q\) будет самопроизвольно увеличиваться до \(К\), если ячейка замкнута накоротко и оставлена ​​для разрядки. В этом случае уменьшение \(Q\) требует затрат энергии. Мы устроены таким образом, потому что все гальванические элементы устроены таким образом, с самопроизвольной прямой реакцией.

Теперь представьте, что требуется некоторое количество свободной энергии \(\Delta G\), чтобы «вытолкнуть» клетку из стандартного состояния в нестандартное состояние с меньшим коэффициентом реакции \(Q_\mathrm{ns}\) и большее напряжение \(E_\mathrm{ns}\). Эта энергия представляет собой просто зарядную энергию, необходимую для перемещения [Zn 2+ ] и [Cu 2+ ] от 1,0 М до их значений в интересующем состоянии. Чтобы рассчитать зарядную энергию, мы можем признать, что «толчок» на самом деле является спонтанной окислительно-восстановительной реакцией клетки, работающей в обратном направлении , от стандартного состояния к нестандартному состоянию с большим количеством присутствующих реагентов.\circ\) в больший \(Q_\mathrm{ns}\), за исключением того, что не потребуется никакого толчка. Вместо этого энергия будет высвобождаться при переходе от стандартных к нестандартным условиям, потому что теперь этот переход представляет собой (самопроизвольное) образование продуктов.

Почему полезен расчет этой «зарядной энергии» \(\Delta G\)? Мы можем использовать стандартное напряжение, рассчитанное по (7), чтобы получить 90% пути к нестандартному напряжению, а затем использовать зарядную энергию для завершения работы.\circ$$

Что говорит нам о том, что при стандартных условиях напряжение ячейки является стандартным напряжением, как и должно быть! Обратите также внимание на то, что по мере уменьшения \(Q\) напряжение элемента имеет тенденцию к увеличению. Другими словами, подача большего количества реагентов и/или меньшего количества продуктов приводит к увеличению напряжения ячейки. Естественно, по мере увеличения \(Q\) за счет введения продуктов или удаления реагентов напряжение на ячейке падает. Вот как батарея работает при нормальной работе: ее окислительно-восстановительная реакция протекает в прямом направлении, образуя продукты и потребляя реагенты, пока напряжение не станет настолько низким, что от нее не сможет питаться ничего полезного.

← Назад

Гальванические элементы или гальванические элементы Учебное пособие по химии

Пожалуйста, не блокируйте рекламу на этом сайте.
Нет рекламы = нет денег для нас = нет бесплатных вещей для вас!

Типовой гальванический элемент или гальванический элемент

Рассмотрим гальванический элемент (гальванический элемент), состоящий из двух полуэлементов, как показано на диаграмме ниже:

Один полуэлемент содержит электрод из металла S , частично погруженный в электролит, содержащий его ионы, S + (водн.) .

Другой полуэлемент содержит электрод из металла R , частично погруженный в электролит, содержащий его ионы, R + (водн.) .

Если металл R легче окисляется, чем металл S (металл R является лучшим восстановителем или лучшим восстановителем), тогда:

(i) металл R в одном полуэлементе будет окисляться (терять электроны)

R (s) → R + (aq) + e

(ii) ионы металла в другом полуячейке, S + , будут восстановлены (приобретают электроны)

S + (водн.) + e → S (s)

Электроны, образующиеся при окислении металла R , проходят через проводящий провод, соединяющий электрод R с электродом S .

На электроде S эти электроны используются для восстановления S + (водн.) в электролите.

Однако электроны могут течь только в том случае, если цепь замкнута, то есть, например, если используется солевой мостик для соединения раствора электролита в одной половине элемента с раствором электролита в другой половине элемента.

Если солевой мостик содержит хлорид калия, K Cl (водный) , то:

(i) катионы ( K + ) текут через солевой мостик к полуэлементу, в котором удаляются катионы (то есть к электролиту S + )

(ii) анионы ( Cl ) текут через солевой мостик к полуэлементу, в котором удаляются электроны (то есть к электролиту R + )

Электрод, на котором образуются отрицательно заряженные электроны (электрод R ), будет отрицательным.
Другой электрод, S , на котором расходуются электроны, будет положительным.

Для гальванического элемента (гальванического элемента), производящего электричество:

  • Отрицательный электрод называется анодом.
    (i) Окисление происходит на аноде.
    (ii) Анионы (отрицательно заряженные ионы) мигрируют к аноду.
  • Положительный электрод называется катодом.
    (i) Восстановление происходит на катоде.
    (ii) Катионы (положительно заряженные ионы) мигрируют к катоду.

Маркированная схема этого гальванического элемента (или гальванического элемента) показана ниже:

Если вольтметр помещен в цепь, как показано на схеме ниже:

, то можно измерить напряжение (электродвижущая сила или ЭДС), создаваемое этим гальваническим элементом (гальваническим элементом).

Если электролит в каждой полуячейке представляет собой стандартный раствор (примерно 1 моль л -1 при 25°C), то мы можем найти значение стандартного потенциала электрода для каждой полуячейки и использовать его для рассчитать напряжение (ЭДС) для суммарной окислительно-восстановительной реакции, протекающей в гальваническом элементе (гальваническом элементе):

катод
(восстановление)
S + (водный) + е С (с)   E o (уменьшение)
анод
(оксидирование)
Р (с)   е + R + (водный) E o (окисление)
 
 
общая ячейка
(редокс)
S + (водный) + Р (с) С (с) + R + (водный) E o (сотовый) > 0

E o (клетка) = E o (восстановление) + E o (окисление)

Обратите внимание, что для того, чтобы гальванический элемент производил электричество, реакция должна быть самопроизвольной, а значение E o должно быть положительным (то есть больше 0)

Без названия

Без названия

Эксперимент 23:

Электрохимические элементы

 

 

Обзор 

Этот эксперимент состоял из трех частей.

Часть А

В этой части эксперимента вы наблюдали реакцию электролиза . Ан электрический ток пропускали через раствор иодида калия. Когда это было сделано, раствор возле одного из электродов стал коричневым . На другом электроде появились пузырьки газа, и раствор вокруг электрода стал щелочным на рН (как обозначается фенолфталеином).

Часть В

В этой части эксперимента вы сконструировали ряд батарей (гальванических/гальванических). клетки) с использованием полосок из 4-х разных металлов и растворов ионов 4-х металлов. Ты измерил напряжение (потенциал, ЭДС) каждой батареи, которую вы сконструировали.

Часть С

В этой части эксперимента вы сконструировали ячейку концентрации , включающую медь(II).Сначала вы настраиваете ячейку так, что обе половинки ячейки состоят из куска металлическую медь погружая в раствор 0,1 M CuSO 4 , но потом добавили немного NaOH в раствор меди в одной из полуячеек. NaOH вызывает некоторые из Cu 2+ ион в полуячейке до осаждает в виде твердого Cu(OH) 2 . Добавив NaOH концентрация свободного раствора Cu 2+ в полукювете снижается.Измерение напряжения этой полуячейки позволяет рассчитать произведение растворимости, K sp , для Cu(OH) 2 .

Расчеты

Часть А:

Используйте свои наблюдения, таблицу реакций на стр. 207 и свои знания химии, чтобы решить, какие полуреакции произошли во время реакции электролиза йодистый калий.Помните, что одна из полуреакций должна быть обращена 90 562 на 90 563. сделать это окислением. Задайте себе следующие вопросы:

Раствор возле одного из электродов стал коричневым . Какой из полуреакции на стр. 207 связаны с чем-то коричневым в растворе???

Другой электрод пузырился с выделением газа. Какая из полуреакций на Страница 207 связаны с газами? Раствор вокруг электрода, который пузырился, вызывал фенолфталеин розовеет? Какой ион окрашивает фенолфталеин в розовый цвет? Сделайте что-нибудь из реакции, в которых участвуют газы, также включают ион, окрашивающий фенолфталеин в розовый цвет?

Часть Б:

Написание анодных и катодных полуреакций проще, чем вы думаете. стандартное обозначение, используемое для ячеек, например,

Zn|Zn 2+ (0,1 M )||Cu 2+ (0,1 М )|Cu

сказать вам, что анод (окисление), а что катод (восстановление): анод реакция слева от || символ, а катодная реакция право || условное обозначение. Таким образом, для ячейки, отмеченной выше, анодная реакция является окисление металлического Zn

Zn Zn 2+ + 2e

и катодной реакцией является восстановление Cu 2+ ион

Cu 2+ + 2e Cu

Стандарт E o для каждой построенной вами ячейки рассчитывается с использованием Стандарта . Потенциалы восстановления перечислены на стр. 208.Помните, что все электродных реакции а потенциалы указаны как редукции . Однако в гальваническом элементе один из полуреакции должны быть окислением. Это означает, что одна из реакций, перечисленных на Страница 208 должна быть перевернута , чтобы сделать ее окисленной, и знак ее потенциал изменился. Для приведенного выше примера список стандартных потенциалов снижения перечисляет следующее:

Cu 2+ + 2e Cu (E или = + 0.34 т)

Zn 2+ + 2e Zn (E o = — 0,76 v)

Поскольку мы видели, что цинковый полуэлемент представляет собой окислительный (анодный), стандартный полуреакции восстановления цинка необходимо обратить вспять и изменить ее знак на окисление.

Zn Zn 2+ + 2e или = + 0,76 В)

Тогда стандартный потенциал, E o , для Zn|Zn 2+ (0.1 M )||Cu 2+ (0,1 M )|Cu гальванический элемент представляет собой сумму потенциалов восстановления Cu 2+ и окисление Zn

 

E o ячейка = 0,34 В (для Cu 2+ восстановление) + 0,76 В (для окисления Zn) = 1,10 В всего.

 

Потенциалы для других гальванических элементов рассчитываются аналогичным образом. используя соответствующие полуреакции и потенциалы.

  • Примечание. При расчете процентной разницы между измеренным экспериментальным клеточных потенциалов и теоретических стандартных потенциалов, вы найдете некоторые случаев, что существует очень небольшая разница в процентах, но что в других случаях есть очень большая процентная разница. То что у вас получается большая разница в процентах может а не означает, что что-то не так с вашим экспериментом.При расчете теоретической ячейки потенциалов, вам предлагается сделать предположение что единственная возможная полуячейка в реакциях участвуют металл и ион металла 2+, т.е.

М М 2+ + 2е и М 2+ + 2е М

  • Помните, однако, что некоторые из металлов, которые вы использовали, имеют более одного стабильного окисления состояние (напр., Fe 2+ , Fe 3+ , Cu 2+ , Cu + ). Это может быть что, хотя мы просим вас рассчитать потенциал реакции M/M 2+ , реакция, реально протекающая в клетке, включает один из возможных степени окисления. На самом деле, если ваша процентная разница велика, это почти наверняка (см. также Вопрос внизу страницы 213).

Часть С

1.Расчет [Cu
2+ ] экв. с использованием измеренного клеточного потенциала и Уравнение Нернста

Стандартное обозначение для подготовленной вами ячейки концентрации, включая 0,1 M CuSO 4 в одной половине ячейки и насыщенный Cu(OH) 2 в другой будет

Cu|Cu 2+ (? M )||Cu 2+ (0,1 M )|Cu

Это указывает на то, что окисление металлической меди протекает в полуэлементе Cu(OH) 2 , восстановление иона Cu 2+ в полуячейке, содержащей CuSO 4 .Предполагать вы измерили потенциал этой ячейки и нашли, что он равен 0,45 В при 20 o С. Учитывая второе уравнение в верхней части страницы 209, которое связывает измеренную общую ячейку потенциала концентрационной ячейки к конкретным концентрациям иона меди в каждом полуклеток, у нас было бы

 

0,45 v = ( -2,303(8,314 Дж/К моль)(293 К){log[Cu 2+ ] экв — log(0.10)} ) / (2)(96 500 Дж/об.моль)

 

Вам нужно в первую очередь решить это для log[Cu 2+ ] eq , а затем возьмите антилог этого ответа, чтобы получить фактическую концентрацию иона Cu 2+ сам.

После расчета концентрации Cu 2+ в Cu(OH) 2 полуячейки и при рН 8.0 можно рассчитать K sp для Cu(OH) 2 .

K sp = [Cu 2+ ][OH ] 2

Поймите, что допущение pH 8,0 означает, что концентрация [OH ] в решение можно рассчитать просто

 

рН = 8.0: следовательно, pOH = 14 — pH = 14 — 8,0 = 6,0

[OH ] = антилог(pOH) = 1,0 X 10 -6 M

1. «Движущая сила» — это кодовое слово для химиков, означающее «Свободный Гиббс». Изменение энергии, ДГ. DG состоит из двух компонентов

Как вы помните,

DH — это изменение энтальпии (тепловой поток на моль) для реакция.Вам предлагается предположить, что DH для этого процесса равен нулю. Следовательно «движущая сила» реакции должна быть обусловлена ​​ДС реакции. DS представляет собой изменение энтропии реакции и представляет собой изменение молекулярного порядок в системе. Чтобы существовала «движущая сила», РГ должна быть отрицательный. Поскольку система в этой ячейке стремится перейти от более упорядоченной ситуации к более случайное состояние, DS положительно, поэтому термин [-T(DS)] приводит к отрицательному значение для ДГ.

2. Для электрохимической реакции DG также может быть выражен в терминах ячейки потенциал

Итак, чтобы рассчитать DG, просто введите свое значение напряжения концентрации ячейки вместе со значением n (2) и постоянной Фарадея F.

3. Вы можете рассчитать DS (изменение энтропии) для реакции, комбинируя два выражение для Delta G выше

 

Д Г = (DH) — T(DS) = -nFE ячейка

 

Так как D H = 0, то

 

-Т(ДС) = -nFE ячейка

D S = (-nFE ячейка )/(-T)

 

Обратите внимание, что два знака минус отменяются, и D S будет положительным.

Типы гальванических элементов – исследование QS

Типы гальванических элементов

В типичном электрохимическом элементе потенциал элемента является прямым следствием чистой химической реакции. Может быть и другой тип гальванического элемента, в котором химическая реакция вторична, а потенциал элемента является следствием различий в концентрации либо электродов, либо раствора электролита. Эти типы клеток называются концентрационными.Когда разница заключается в концентрации электродов, ячейка называется ячейкой концентрации электродов. С другой стороны, если потенциал возникает из-за разницы в концентрации электролита, ячейка называется электролитической концентрационной ячейкой. Может быть четыре различных категории гальванических элементов.

(1) Электрохимическая ячейка без переноса

(2) Электрохимическая ячейка с переносом

(3) Ячейка для концентрирования без переноса

(4) Ячейка для концентрирования с переносом

В этом типе ячейки два электрода погружаются в два электролитических раствора, разделенных солевым мостиком, чтобы избежать потенциала жидкостного перехода.Ячейка Даниэля является примером клетки этого типа.

В этом случае солевой мостик не используется. Имеется фазовая граница в виде пористой диафрагмы, и ионы движутся с разной скоростью через жидкостный переход. Это приводит к потенциалу соединения E j . Пример:

Sn(s)│Sn 2+ (водный)│Cu 2+ (водный), Cu(s)

Как уже упоминалось, концентрационные камеры без переноса могут быть двух типов: (i) электродные концентрационные камеры и (ii) электролитические концентрационные камеры.

Электродные концентрационные ячейки (без переноса): Этот тип ячеек зависит от разницы концентраций на электродах. Это снова может быть двух типов: (а) Газовый электрод: два газовых электрода, погруженные в один и тот же раствор ионов газообразного элемента, но газ, барботирующий вокруг электродов, имеет разное давление. Амальгамный электрод: В этом случае количество металлической примеси ртути различно.

Электролитическая концентрация: клеток (без переноса): два одинаковых электрода погружают в два электролитических раствора разной концентрации.

0 comments on “Концентрационный гальванический элемент: Концентрационный элемент — это… Что такое Концентрационный элемент?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.