У цьому параграфі ви дізнаєтеся:
• про гальванічний елемент і принцип його роботи;
• що таке стандартний електродний потенціал металу;
• як вибрати метали для електродів гальванічного елемента.
Що таке електродний потенціал. Вам уже відомо, що під час занурення металевої пластинки у воду на межі поділу двох фаз (метал/вода) виникає подвійний електричний шар. Його можна охарактеризувати певною різницею електростатичних потенціалів. У результаті занурення пластинки металу в розчин його солі також виникає подвійний електричний шар, однак у цьому випадку можливі два механізми його утворення. Якщо метал досить активний, наприклад цинк Zn (див. ряд стандартних електродних
потенціалів металів — ряд СЕП), або концентрація його катіонів у розчині невелика, поверхня пластинки заряджається негативно (рис. 26, а).
Рис. 26. Подвійний електричний шар на поверхні металу: а — активного; б — малоактивного
Коли метал малоактивний, наприклад срібло Ag, або концентрація катіонів металічного елемента в розчині досить значна, поверхня металічної пластинки заряджається позитивно (рис. 26, б).
Таким чином, під час занурення металевих пластинок у воду або у розчин солі самого металічного елемента на межі поділу двох фаз (метал/вода або метал/розчин солі цього металічного елемента) утворюється подвійний електричний шар.
Різницю потенціалів, що виникає між металом (твердою фазою) і розчином електроліту (рідкою фазою), називають електродним потенціалом металу.
Різницю електродних потенціалів позначають літерою Е.
Якщо концентрація йонів електроліту в розчині дорівнює 1 моль/л, тиск газоподібних речовин становить 101 325 Па, а температура — 298 К, то електродний потенціал цього металу, виміряний відносно стандартного водневого електроду, називають стандартним електродним потенціалом і позначають як Е0. Наприклад, стандартний електродний потенціал цинку позначають Е0 (Zn2+/Zn0), а стандартний електродний потенціал срібла — Е0 (Ag+/Ag0).
Стандартний водневий електрод виготовляють з губчастої платини, зануреної в розчин H2SO4 концентрацією 1 моль/л (рис. 27). Крізь цей розчин за T = 298 К під тиском 101 325 Па пропускають газоподібний водень, який поглинається платиною. Таким чином, поверхня пластинки фактично насичена воднем. Стандартний
електродний потенціал водневого електрода — E0 + = 0.
(2H /H2 )
Рис. 27. Гальванічне коло для вимірювання стандартного електродного потенціалу: І — водневий електрод;
ІІ — електролітичний ключ; ІІІ — електрод для вимірювання його стандартного електродного потенціалу
Принцип роботи гальванічного елемента
Гальванічний елемент — це хімічне джерело електричного струму, пристрій, у якому енергія хімічної реакції перетворюється на електричну.
Будь-який гальванічний елемент складається з двох частин (напівелементів), в одній із них відбувається реакція окиснення, а в другій — реакція відновлення.
Щоб скласти гальванічний елемент, наприклад цинково-мідний, необхідно взяти дві посудини, заповнити одну з них розчином ZnSO4 і занурити в нього цинкову пластинку, а другу — розчином CuSO4 і занурити в нього мідну пластинку (рис. 28). Далі потрібно з’єднати пластинки дротом, тобто сформувати зовнішнє електричне коло. Розчини слід з’єднати електролітом, який у водному розчині не зазнає гідролізу, наприклад KCl або KNO3, і таким чином сформувати внутрішнє електричне коло. Цю U-подібну трубку, заповнену розчином електроліту, називають сольовим містком. Він необхідний для замикання електричного кола між двома електродами. Пластинки називають електродами.
У мідно-цинковому гальванічному елементі на цинковій пластинці (виготовленій з більш активного, ніж мідь, металу), що
занурена в розчин цинк сульфату, відбувається окиснення цинку до йонів Цинку:
Рис. 28. Мідно-цинковий гальванічний елемент:
1 — цинк; 2 — посудина з розчином цинк сульфату;
3 — гальванометр; 4 — сольовий місток з розчином калій нітрату; 5 — посудина з розчином купрум(П) сульфату; 6 — мідь
Електрод, на якому відбувається окиснення, називають анодом.
На мідній пластинці (виготовленій з менш активного, ніж цинк, металу), що занурена в розчин купрум(ІІ) сульфату, відбувається відновлення йонів Cu2+ до металу (тобто до Cu0), який відкладається на поверхні мідної пластинки:
Електрод, на якому відбувається відновлення, називають катодом.
У замкнутій системі (гальванічному елементі) відбувається хімічна взаємодія одного металу з розчином солі іншого металічного елемента, які безпосередньо не контактують один з одним:
Енергія хімічної реакції перетворюється на енергію електричну. Електрорушійну силу (ДЕ) будь-якого гальванічного елемента визначають за формулою
де Ек і Еа — електродні потенціали відповідно катода й анода.
Основні поняття. Стандартний електродний потенціал металу. Гальванічний елемент. Анод. Катод. Зовнішнє електричне коло. Сольовий місток.
Луїджі Гальвані (1737-1798)
Лікар і фізик, один з основоположників учення про електрику. Його дослідження сприяли винаходу нового джерела струму, названого його ім’ям, — гальванічного елемента.
Запитання та завдання
1. Як утворюється подвійний електричний шар під час занурення металевої пластинки у воду?
2. Що називають електродним потенціалом металу?
3. Що називають стандартним електродним потенціалом металу та як його позначають і вимірюють?
4. Як називають пристрій, у якому енергія хімічної реакції перетворюється на електричну?
5. Як називають U-подібну трубку, яка з’єднує розчини електролітів у гальванічному елементі?
6. За якою формулою визначають електрорушійну силу (ДЕ) будь-якого гальванічного елемента?
7. Під час роботи Ni/Ag гальванічного елемента який із металів буде анодом, а який — катодом? Чому?
8. Укажіть рівняння реакцій, які можна використовувати в гальванічних елементах:
9. Роботу одного з гальванічних елементів описує рівняння реакції:
Опишіть будову цього елемента та складіть рівняння напівреакцій, які в ньому відбуваються. Який з електродів буде катодом, а який — анодом?
*10. Складіть рівняння реакції, що відбувається в гальванічному елементі, який складається з електродів
якщо концентрації обох електролітів дорівнюють 1 моль/л. Визначте електрорушійну силу цього гальванічного елемента, якщо
*11. Чим обмежена здатність гальванічних елементів бути джерелами електричної енергії?
Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Бутенко (поглиблений рівень)