Хімія. Поглиблений рівень. 9 клас. Бутенко

§ 32. Поняття про електродний потенціал. Гальванічний елемент і принцип його роботи

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 —

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.

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(ІІ) сульфату; 6 — мідь

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:

(-) А: Zn⁰ - 2e^- → Zn²⁺

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:

(+) K: Cu²⁺ + 2e^- → Cu⁰

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:

Zn⁰ + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu⁰

Енергія хімічної реакції перетворюється на енергію електричну. Електрорушійну силу (ΔΕ) будь-якого гальванічного елемента визначають за формулою

ΔΕ = Е_к - E_а,

де Е_к і Е_а — 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 (ΔΕ) 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:

а) KOH + HCl = KCl + H₂O;

б) Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑;

в) CuCl₂ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + 2NaCl;

г) CuCl₂ + Zn = Cu + ZnCl₂.

• 9. Роботу одного з гальванічних елементів описує рівняння реакції:

2Al + 3Cu(NO₃)₂ = 2Al(NO₃)₃ + 3Cu

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 CuSO₄/Cu та AgNO₃/Ag, якщо концентрації обох електролітів дорівнюють 1 моль/л. Визначте електрорушійну силу цього гальванічного елемента, якщо Е⁰(Cu²⁺/Cu) = +0,34 В, а Е⁰(Ag⁺/Ag) = +0,8 В.
• *11. Чим обмежена здатність гальванічних елементів бути джерелами електричної енергії?