Гальванические элементы

Гальванические элементы являются химическими источниками электрической энергии. При работе гальванических элементов энергия ОВР преобразуется в электроэнергию. Принцип действия гальванических элементов рассмотрим на примере элемента Даниэля-Якоби (см. рисунок), в котором протекает окислительно-восстановительная реакция Zn + Cu⁺² = Zn⁺² + Cu :

Этот гальванический элемент состоит из цинкового электрода, погруженного в раствор ZnSO₄ и медного электрода, погруженного в раствор CuSO₄. Растворы соединены между собой электролитическим ключом (ЭК)- устройством, позволяющим ионам SO₄^-2 переходить из одного раствора в другой. Оба раствора и электролитический ключ являются внутренней цепью гальванического элемента. Внешняя цепь в данном случае состоит из металлических проводов, резистора (R) и гальванометра (Г). Если внутренняя и внешняя цепи гальванического элемента замкнуты, то гальванометр регистрирует наличие во внешней цепи электрического тока. При этом на электродах самопроизвольно протекают процессы:

анод (-) Zn (тв) - 2e^- = Zn⁺² (aq)

катод (+) Cu⁺² (aq) + 2e^- = Cu (тв)

Катод имеет положительный заряд, а анод - отрицательный. При работе гальванического элемента в раствор ZnSO₄ переходят избыточные ионы Zn⁺², а в растворе CuSO₄ появляются избыточные анионы SO₄^-2. Через электролитический ключ ионы SO₄^-2 переходят из раствора CuSO₄ в раствор ZnSO₄. В гальваническом элементе Даниэля-Якоби цинковая пластина - активный электрод, а медная - инертный.

ЭДС гальванического элемента (DE) равна разности электродных потенциалов катода и анода: DE = E_к - E_а .

ЭДС элемента Даниэля-Якоби при стандартных условиях (T = 298 K, p = 1,013^.10⁵ Па, [Zn⁺²] = [Cu⁺² ] = 1 моль/л) равна разности стандартных электродных потенциалов цинка и меди:

DE = E°(Zn⁺²/Zn) - E°(Cu⁺² /Cu) = + 0,34 В - (- 0,76 В) = 1,1 В .

Зная величину ЭДС гальванического элемента легко расчитать изменение энергии Гиббса (DG) для данного процесса:

DG = - zFDE ,

где F - постоянная Фарадея (96 485 Кл/моль), z - количество электронов, переходящих от восстановителя к окислителю.

Нетрудно убедиться, что для гальванического элемента Даниэля-Якоби при стандартных условиях DG = -212,3 кДж/моль. Это означает, что процесс Zn + Cu⁺² Zn⁺² + Cu протекает в прямом направлении практически необратимо.