Гальванический элемент Даниэля-Якоби

Рассмотрим принцип работы и окислительно-восстановительные реакции на примере медно-цинкового гальванического элемента (Даниэля-Якоби) (рис. 1).

Цинк, имеющий отрицательный электродный потенциал, выс­тупает в качестве анода и будет окисляться:

Zn^o - 2е^- → Zn²⁺.

На медном катоде будут восстанавливаться ионы меди

Cu ²⁺ + 2e^- → Cu^o.

Суммарное уравнение реакции выглядит так:

Zn^o + Cu ²⁺ → Zn²⁺ + Cu^o.

Схема гальванического элемента:

(-) Zn | Zn SO₄ | | Cu SO₄ | Cu (+). За счет окислительно-восстановительной реакции во внешней цепи течет электрический ток, который можно зафиксировать прибором, а по внутренней цепи движутся ионы SO₄ ^2- ,тем самым создается ионное равновесие в растворе. Гальванический элемент работает, пока не растворится весь анод или пока электродные потенциалы анода и катода не примут одинаковые значения.

Рис.1.Схема медно-цинкового гальванического элемента

 

 

По значениям стандартных электродных потенциалов или алгебраической суммы окислительно-восстановительных потен­циалов частных реакций определяется ЭДС элемента:

ЭДС = 0,34 - (- 0,76) = 1,1 В.

При изменении стандартных условий расчет ведется с использованием уравнения Нернста.

Гальванический элемент, в котором электродвижущая сила (ЭДС) возникает за счет различной концентрации растворов электролитов, в которые погружены одинаковые металлические электроды, называется концентрационным гальваническим элементом. Элект­род, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, яв­ляется анодом, а с большей – катодом.

(-) Мg | Mg²⁺ (С₁) || Mg²⁺ (С₂) | Mg (+) С₁ Ð С₂.

Концентрационный гальванический элемент работает до тех пор, пока не сравняются концентрации растворов.

При работе элемента его ЭДС постепенно уменьшается вследст­вие смещения потенциалов электродов от равновесного состоя­ния. Это явление получило название поляризации.

 

Лабораторная работа № 3

 

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Опыт 1. Изготовление медно-цинкового элемента.

Одну пробирку заполните доверху 1 М раствором сульфата цинка, другую – 1 М раствором сульфата меди. Пробирки соеди­ните электролитным мостиком, заполненным насыщенным раство­ром хлорида калия в смеси с агар-агаром. Опустите в раствор сульфата цинка ZnSO₄ цинковую пластинку, а в раствор сульфата меди CuSO₄ – медную (плас­тинки предварительно очистите наждачной бумагой). Пластинки соедините электрическим проводом с гальванометром. Наблюдайте отклонение стрелки гальванометра, указывающее на возникнове­ние электрического тока.

Составьте схему гальванического элемента. Напишите урав­нения химических реакций, протекающих на электродах гальвани­ческого элемента, и суммарное уравнение химической реакции, в результате которой возникает электрический ток в данном элементе.

Используя числовые значения стандартных электродных по­тенциалов цинка и меди, вычислите ЭДС медно-цинкового гальва­нического элемента.

В каком направлении перемещаются электроны во внешней цепи? Какие ионы и в каком направлении перемещаются в раст­воре?

 

Опыт 2. Изготовление концентрационного гальванического элемента.

Заполните две пробирки растворами сульфата меди раз­ной концентрации: первую – 2 M раствором CuSО₄, вторую – 0,02 M раствором CuSO₄. Соедините пробирки электролитным мостиком. Опустите в каж­дую пробирку медные пластинки и соедините их проводками с гальванометром.

Составьте схему концентрационного гальванического эле­мента. Напишите уравнения химических процессов, протекающих на электродах.

Используя значение стандартного потенциала медного электрода и уравнение Нернста, вычислите электродный потен­циал катода и анода, а также ЭДС концентрационного гальва­нического элемента.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. Какие приборы называются гальваническими?

2. Что такое двойной электрический слой?

3. Что такое электродный потенциал? Его расчет по уравнению Нернста.

4. Электрохимический ряд стандартных электродных потенциа­лов. Его сущность и практическое значение.

5. Какие гальванические элементы называются концентрацион­ными? Принцип работы.

6. Вычислите потенциал свинцового электрода в насыщенном растворе бромида свинца, если концентрация иона свинца состав­ляет 10^-5 г-ион/л.

7. Насколько изменится потенциал цинкового электрода, если раствор соли цинка, в который он погружен, разбавить в 10 раз?

8. В гальваническом элементе протекает реакция

Cd + CuSO₄ → CdSО₄ + Cu.

Составьте схему элемента, покажите окислительно-восстанови-тель­ный процесс и вычислите ЭДС по стандартным значениям потенциа­лов катода и анода.

9. Какие процессы происходят на электродах гальванического, элемента

Zn│Zn²⁺(C₁ ) | Zn²⁺ (C₂) │Zn (C₁< C₂)?

Рассчитайте ЭДС такого элемента, зная, что C₂ = 100 С₁.

10. Вычислите ЭДС элементов:

Sn │ Sn²⁺(0,1 М) || Ag⁺(1 М) │Ag.

Cu │Cu²⁺(0,01 М) || Ag⁺ (2 М)│ Ag.

Cd │Cd²⁺(0, 003 М) || Cu²⁺ (0,1 М)│Cu.

 

Тест для подготовки к экзамену

1. Укажите вид энергии, которая вырабатывается при работе гальванических элементов.

1) химическая;

2) электрическая;

3) тепловая;

4) световая.

 

2. Электродвижущая сила гальванического элемента определяется по формуле

1) ЭДС = j_а^° - j_к^°;

2) ЭДС = j_к^° - j_а^°;

3) ЭДС = j_к^° + j_а^°;

4) ЭДС = j_а^° + j_к^°.

 

3. Процесс, протекающий на аноде в гальваническом элементе, –

1) восстановление;

2) окисление;

3) окисление и восстановление.

 

4. Процесс, протекающий на катоде в гальваническом элементе, –

1) окисление;

2) восстановление;

3) окисление и восстановление.

 

5. Укажите цепь гальванического элемента, которая составлена верно.

1) Pb | Pb(NO₃)₂ || Mg(NO₃)₂ | Mg;

2) Mg | Mg(NO₃)₂ || Pb(NO₃)₂ | Pb;

3) Mg(NO₃)₂ Mg || Pb(NO₃)₂ | Pb;

4) Mg | Mg(NO₃)₂ || Pb | Pb(NO₃)₂.

 

6. Стандартные электродные потенциалы меди и алюминия равны соответственно + 0,34 В; - 1,66 В. Какой металл является анодом, если цепь гальванического элемента образована медным и алюминиевым электродами?

1) медь;

2) алюминий;

3) оба металла.

 

7. Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?

1) ZnSO₄ | Zn || Cu | CuSO₄;

2) Zn | ZnSO₄ || CuSO₄| Cu;

3) Zn | ZnSO₄ || Cu | CuSO₄.

 

8. Какой вид энергии переходит в электрическую в гальваническом элементе?

1) световая;

2) механическая;

3) химическая;

4) тепловая.

 

9. Стандартные электродные потенциалы меди и никеля равны соответственно + 0,34 В, - 0,23 В. Какой металл является катодом, если цепь гальванического элемента образована медным и никелевым электродами?

1) никель;

2) медь;

3) никель и медь.

 

10. Стандартные электродные потенциалы меди, железа и магния равны соответственно + 0,34 В; - 0,44 В; - 2,37 В. Какой металл более активный?

1) медь;

2) железо;

3) магний;

4) железо и магний.

 

11. В какой вид энергии переходит химическая в гальваническом элементе?

1) тепловую;

2) световую;

3) электрическую;

4) механическую.

 

12. Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?

1) Cu | Cu(NO₃)₂ || AgNO₃ | Ag;

2) Cu | Cu(NO₃)₂ || Ag | AgNO₃;

3) Cu(NO₃)₂ | Cu || Ag | AgNO₃.

 

13. Стандартные электродные потенциалы свинца и марганца равны соответственно - 0,13 В; - 1,18 В. Какой металл является анодом, если цепь гальванического элемента составлена марганцевым и свинцовым электродами?

1) марганец;

2) свинец;

3) оба металла.

 

14. Стандартные электродные потенциалы серебра и никеля равны соответственно + 0,80 В; - 0,23 В. Какой металл является катодом, если цепь гальванического элемента составлена из серебряного и никелевого электродов?

1) никель;

2) серебро;

3) оба металла.

 

15. Стандартные электродные потенциалы никеля и цинка равны соответственно - 0,23 В; - 0,76 В. Какой металл является источником электронов, если цепь гальванического элемента составлена двумя электродами: никелевым и цинковым?

1) никель;

2) цинк;

3) оба металла.

 

16. Стандартные электродные потенциалы железа и алюминия равны соответственно - 0,44 В; - 1,66 В. Какой процесс протекает на алюминиевом электроде, если цепь гальванического элемента образована двумя электродами: алюминиевым и железным?

1) окисление;

2) восстановление;

3) окисление и восстановление.

 

17. Стандартные электродные потенциалы меди и цинка равны соответственно + 0,34 В; - 0,76 В. Гальваническая цепь составлена двумя электродами: цинковым и медным. Какой процесс протекает на медном электроде?

1) окисление;

2) восстановление;

3) оба процесса.

 

18. Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваническом элементе Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu?

1) Cu⁰ + Cu⁺² → Zn⁺² + Zn⁰_;

2) Cu⁰ + Zn⁺² → Zn⁰ + Cu⁺²;

3) Zn⁰ + Cu⁺² → Zn⁺² +Cu⁰;

4) Cu⁰ + Zn⁰ → Cu⁺² +Zn⁺².

 

19. Какая цепь гальванического элемента составлена правильно?

1) Pb | Pb(NO₃)₂ || Fe | Fe(NO₃)₂;

2) Fe | Fe(NO₃)₂ || Pb(NO₃)₂ | Pb;

3) Pb(NO₃)₂ | Pb || Fe | Fe(NO₃)₂.

 

20. Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваническом элементе Al | Al₂(SO₄)₃ || FeSO₄| Fe?

1) 2Al⁰ + 2Al⁺³ → 3Fe⁺² + 3Fe⁰;

2) 2Al⁰ + Fe⁰ → 2Al⁺³ + 3Fe⁺²;

3) 2Al⁰ +3Fe⁺² → 2Al⁺³ + 3Fe⁰.

 

21. Электродные потенциалы алюминия, цинка и золота равны соответственно - 1,70 В; - 0,76 В; + 1,50 В. Какой металл более активен?

1) золото;

2) алюминий;

3) цинк.

 

22. Электродные потенциалы магния, цинка и меди равны соответственно - 2,37 В; - 0,76 В; + 0,34 В. Какие металлы могут быть анодами в гальванических элементах?

1) Cu;

2) Zn;

3) Mg;

4) Mg и Zn.

23. Составлена схема гальванического элемента

Mg | MgSO₄ || ZnSO₄ | Zn. Какой процесс протекает на аноде?

1) Zn⁰ - 2e^- ® Zn⁺²;

2) Mg⁰ - 2e^- ® Mg⁺²;

3) Mg⁺² +2e^- ® Mg⁰;

4) Zn⁺² +2e^- ® Zn⁰.

 

24. Какая токообразующая реакция протекает в данном гальваническом элементе Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu?

1) Cu + ZnSO₄ → CuSO₄ + Zn;

2) Zn + Cu → ZnSO₄ + CuSO₄;

3) Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu.

 

25. Какой процесс протекает на катоде в данном гальваническом элементе Ni | NiSO₄ || CuSO₄ | Cu?

1) Cu⁰- 2e^- ® Cu⁺²;

2) Cu⁺²+ 2e^- ® Cu⁰;

3) Ni⁰- 2e^- ® Ni⁺²;

4) Ni⁺²+ 2e^- ® Ni⁰.

 

Ответы на тест:

 

Номер вопроса
Вариант ответа
Номер вопроса
Вариант ответа
Номер вопроса
Вариант ответа

ЭЛЕКТРОЛИЗ

 

Электролизом называются окислительно-восстановительные реакции, протекающие на электродах при прохождении постоянного электрического тока через раствор электролита или через его расплав.

Электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника тока, называется катодом. На катоде происходит процесс восстановления.

Электрод, соединенный с положительным полюсом источника тока, называется анодом. На аноде происходит процесс окисления.

Таким образом, в процессах электролиза электрическая энергия переходит в химическую энергию. На характер и течение электродных процессов при электролизе большое влияние оказывают: состав электролита, растворитель, материал электродов, режим электролиза (напряжение, плотность тока, температура и др.).

Электролиз может происходить не при любой разности потенциалов (напряжении), а при вполне определенной, называемой потенциалом разложения Е_разл. Потенциал разложения – это наименьшее напряжение, при котором начинается электролиз данного соединения. Следует различать электролиз расплавленных электролитов и их растворов (с участием воды).