Заказ №38812

1. Для данного гальванического элемента: определите анод и катод; 2. Напишите уравнения процессов, протекающих на аноде и катоде в работающем гальваническом элементе. Запишите уравнения токообразующей реакции; 3. Укажите изменения равновесных электродных потенциалов анодного и катодного процессов при прохождении тока. Объясните причину такого изменения. Покажите ход поляризационных кривых. 4. Рассчитайте энтальпию, энергию Гиббса токообразующего процесса и электродвижущую силу гальванического элемента (двумя способами); H2 / Pt | H + || Zn2+ | Zn

Решение:

Гальваническими элементами называют устройства, в которых энергия окислительновосстановительных реакций преобразуется непосредственно в электрическую. При погружении металла в раствор начинается сложное взаимодействие металла с компонентами раствора. Наиболее важной реакцией является взаимодействие поверхностных ион - атомов металла, находящихся в узлах решетки, с полярными молекулами растворителя (воды), ориентированными у поверхности электрода. В результате указанного процесса происходит окисление металла, и его сольватированные (гидратированные) ионы переходят в раствор, оставляя в металле электроны, заряд которых не скомпенсирован положительно заряженными ионами в металле: Металл с поверхности становится заряженным отрицательно, а раствор - положительно. Положительно заряженные ионы из раствора притягиваются к отрицательно заряженной поверхности металла. На границе металл - раствор возникает двойной электрический слой (рис.1). Рис.1 Схема металл-раствор Между металлом и раствором возникает разность потенциалов, которая называется электродным потенциалом (ЭП) или перехода ионов в раствор растет отрицательный заряд поверхности металла и 809 положительный заряд раствора, что препятствует дальнейшему окислению металла. Наряду с этой реакцией протекает обратная реакция - восстановление ионов металла до атомов. С увеличением скачка потенциала между электродом и раствором скорость прямой реакции падает, а обратной реакции растет. При некотором значении электродного потенциала (𝜑 ) скорость прямого процесса будет равна скорости обратного процесса. При этом устанавливается равновесие: Для упрощения гидратационную воду обычно в уравнение реакции не включают и его записывают в виде: Равновесие имеет динамический характер, т.е. процессы при равновесии идут с одинаковой скоростью в прямом и обратном направлениях. Потенциал, устанавливающийся в условиях равновесия электродной реакции, называется равновесным электродным потенциалом. Абсолютные значения ЭП экспериментально определить невозможно. Однако можно определить их разность. Для характеристики электродных процессов пользуются относительными значениями ЭП. Для этого находят разность потенциалов измеряемого электрода и электрода, который принят за эталон. Стандартные электродные потенциалы металлических электродов в водных растворах приведены в справочной литературе. Величины стандартных ЭП металлов (Е0 ) являются мерой восстановительной способности их атомов и мерой окислительной способности ионов металлов. Чем более отрицательное значение имеет потенциал системы Ме/Меn+, тем более сильной восстановительной способностью обладает атом. И наоборот, чем более положителен потенциал металлического электрода, тем более сильной окислительной способностью обладают его ионы. Рассмотрим гальванический элемент, состоящий из цинковой пластины, погруженной в раствор соли цинка и водородным электродом. Существуют металлы, отличающиеся высокой химической стойкостью (платина, золото и др.), которые практически не могут посылать свои ионы в раствор. Электроды, изготовленные из подобных металлов, называют инертными. Однако такие металлы могут адсорбировать молекулы, атомы и ионы других веществ. Например, платина адсорбирует на своей поверхности многие газы и, в частности, водород. Если такая платиновая пластина, насыщенная адсорбированным водородом находится в растворе, содержащем катионы H+ (H3O + ), то на поверхности ее будет протекать следующий процесс: Такой электрод называется водородным (H2, Pt | 2H+ ). Водородный электрод относится к газовым электродам. В этом электроде скачок потенциала отвечает установлению равновесия между катионами H+ и молекулами H2 через посредство платиновой поверхности, имеющей свободные электроны и адсорбирующей водород.