Хімія. Поглиблений рівень. Повторне видання. 9 клас. Бутенко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 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. У § 30 уже йшлося про те, що в результаті занурення пластинки металу в розчин його солі виникає подвійний електричний шар на межі металу й розчину електроліту. Якщо метал активний, наприклад цинк Zn, поверхня пластинки заряджається негативно (рис. 31, а).

Рис. 31. Подвійний електричний шар на поверхні металу: а — активного; б — малоактивного

Коли метал малоактивний, наприклад срібло Ag, поверхня металічної пластинки заряджається позитивно (рис. 31, б).

Біля поверхні зарядженої пластинки в кожному випадку формується обкладинка з протилежно заряджених частинок — йонів електроліту, тобто виникає різниця потенціалів між металом і розчином електроліту, її називають електродним потенціалом. Різницю електродних потенціалів позначають літерою Е.

Якщо концентрація йонів електроліту в розчині дорівнює 1 моль/л, тиск газуватих 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 (див. табл. 7, 8 на с. 161).

Наприклад, стандартний електродний потенціал цинкового електрода позначають Е0(Ζn2+/Ζn0), а стандартний електродний потенціал срібного електрода — Е0(Ag+/Ag0).

Рис. 32. Гальванічний елемент для вимірювання стандартного електродного потенціалу: І — водневий електрод; II — електролітичний ключ; III — електрод для вимірювання його стандартного електродного потенціалу

Стандартний водневий електрод виготовляють з губчастої платини, зануреної в розчин концентрацією сульфатної кислоти 1 моль/л (рис. 32). Крізь цей розчин за Т = 298 К під тиском 101 325 Па пропускають водень, який поглинається платиною. Таким чином, поверхня платинової пластинки фактично насичена воднем. Стандартний електродний потенціал водневого електрода — Е0(2Н+/Н2) = 0.

Таблиця 7

Стандартні електродні потенціали (В) деяких систем типу Меn+/Ме0 у водних розчинах

Li+/Li0

-3,05

K+/K0

-2,02

Ва2+/Ва0

-2,9

Са2+/Са0

-2,87

Na+/Na0

-2,71

Mg2+/Mg0

-2,36

Аl3+/Аl0

-1,66

Zn2+/Zn0

-0,76

Fe2+/Fe0

-0,44

Cr3+/Cr0

-0,74

Ni2+/Ni0

-0,25

Sn2+/Sn0

-0,14

Рb2+/Рb0

-0,13

+20

Cu2+/Cu0

+0,34

Ag+/Ag0

+0,80

Hg2+/Hg

+0,85

Au3+/Au0

+1,42

Таблиця 8

Стандартні електродні потенціали (В) деяких систем типу Ann-/Аn0 у водних розчинах

S2-/S0

4OH-/O20 + 2H2O

2I-/I2

2Br-/Br2

2Cl-/Cl2

2F-/F2

-0,404

+0,401

+0,535

+1,087

+1,396

+2,866

Принцип роботи гальванічного елемента

Гальванічний елемент — це хімічне джерело електричного струму, у ньому енергія хімічної реакції перетворюється на електричну.

Будь-який гальванічний елемент — це пристрій, який складається з двох різних електродів. Обидва електроди називають напівелементами, у кожному з них відбувається напівреакція окиснення або відновлення, тобто в гальванічному елементі відбувається окисно-відновна реакція.

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. 33). Далі потрібно з’єднати пластинки дротом, тобто сформувати зовнішнє електричне коло. Розчини слід з’єднати електролітом, який у водному розчині не зазнає гідролізу, наприклад КСl 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.

Рис. 33. 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

З двох електродів на менш активному відбуваються процеси відновлення, і він буде катодом. Активніший метал завжди окиснюється — він буде анодом. Відповідно в гальванічному елементі (рис. 32) окиснюється Цинк:

(-) А: Zn0 - 2e- → Zn2+

Електрод, на якому відбувається окиснення, називають анодом.

На мідній пластинці — катоді відбуватимуться відновлення йонів Сu2+ до металу, який відкладається на її поверхні:

(+) K: Cu2+ + 2e- → Cu0

Електрод, на якому відбувається відновлення, називають катодом.

Загальну окисно-відновну реакцію, яка відбувається в гальванічному елементі, описують рівнянням:

Zn0 + CuSO4 = ZnSO4 + Сu0

Різниця між електродними потенціалами катода й анода визначає електрорушійну силу (ΔЕ) гальванічного елемента:

ΔΕ = Ек - Еa,

де Ек і Еa — 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, відкрив явище виникнення електричного струму. Його дослідження пізніше використав А. Вольт, створивши перший гальванічний елемент, який згодом назвали на честь Л. Гальвані.

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 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, якими можна описати процеси в гальванічних елементах:

  • а) КОН + НСl = КСl + Н2О;
  • б) Fe + 2НСl = FeCl2 + Н2↑;
  • в) CuCl2 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + 2NaCl;
  • г) CuCl2 + Zn = Сu + ZnCl2.

9. Роботу одного з гальванічних елементів описують рівнянням реакції: 2Fe + 3Cu(NO3)2 = 2Fe(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?