Химические источники тока

/ – поверхность раздела электролит - раствор или расплав электролита;

// – поверхности раздела пространственно удалены друг от друга. При работе источников тока в них протекают достаточно сложные, многостадийные процессы. Условия, необходимые для получения электрического тока в ХИТ:

· ХИТ должен содержать два электрода с различными потенциалами;

· процессы окисления и восстановления должны быть пространственно разделены;

· внешняя и внутренняя цепи должны быть замкнуты.

Далее будут рассмотрены примеры только гальванических элементов.

Пример 1. Схема гальванического элемента:

Zn / ZnSO₄ // H₂SO₄ / H₂ (Pt) .

Слева – цинковый электрод, погружённый в раствор сульфата цинка, справа – стандартный водородный электрод (платиновая пластина в растворе серной кислоты). Условия работы гальванического элемента будем считать стандартными, т.е. потенциал электрода из цинка потенциал водородного (платинового) электрода В. Условие самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции - > , следовательно, на правом электроде будет идти полуреакция восстановления (платина - катод), а на левом – окисления (цинк - анод):

· анодный процесс - Zn - 2ē = Zn²⁺;

· катодный процесс - 2Н⁺ + 2ē = Н₂ .

Ионное и молекулярное уравнения реакции, на которой основана работа гальванического элемента:

Zn + 2Н⁺ = Zn²⁺ + Н₂ ; Zn + Н₂SO₄ = ZnSO₄ + Н₂ .

Электроны, отдаваемые цинком, по внешней цепи перемещаются к катоду, а в противоположном направлении, по внутренней цепи, перемещаются отрицательно заряженные ионы SO₄^2—:

ē

(-) (+)

(а) Zn / ZnSO₄ // H₂SO₄ / H₂ (Pt) (к)

SO₄^2—

ЭДС любого ХИТ рассчитывается как разность = . Значение ЭДС должно быть больше нуля.

Пример 2. Схема гальванического элемента:

Al / Al₂(SO₄)₃ 0,005M // KСlO₃; KCl; H₂SO₄ / (C)

Слева – алюминиевый электрод, погружённный в раствор сульфата алюминия с концентрацией 0,005 моль/л (при обозначении молярной концентрации обозначение размерности моль/л часто заменяют буквой М), справа – графитовый электрод в растворе двух солей при стандартных условиях. Потенциал алюминиевого электрода необходимо рассчитать по уравнению (2):

.

В условиях указана концентрация соли, ионы алюминия образуются при её диссоциации: Al₂(SO₄)₃ = 2Al³⁺ + 3SO₄^2—, поэтому [Al³⁺] = = . Таким образом,

.

Потенциал на графитовом электроде равен стандартному потенциалу окислительно-восстановительной пары СlO₃^—/Cl^—: =1,45 В.

> , т.е. в левом полуэлементе находится восстановитель (идёт полуреакция окисления, алюминий – анод), в правом – окислитель (идёт полуреакция восстановления, графитовый электрод – анод).

Анодный процесс Al - 3ē = Al³⁺ 2

катодный процесс - СlO₃^— + 6H⁺ + 6ē = Cl^— + 3H₂O 1

Ионное и молекулярное уравнения реакции:

2Al + ClO₃^— + 6H⁺ = 2Al³⁺ + Cl^— + 3H₂O,

2Al + KClO₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + KCl + 3H₂O.

Условная схема работы гальванического элемента:

ē

(-) (+)

(а) Al / Al₂(SO₄)₃ // KСlO₃; KCl; H₂SO₄ / (C) (к)

SO₄^2—

ЭДС = 1,45 – (-1,70) = 3,15 В.