Концентрационные цепи.

Известны гальванические элементы, в которых электрическая энергия образуется не за счет химической реакции, а за счет разни­цы концентраций растворов, в которые опущены электроды из одно­го и того же металла. Такие гальванические элементы называются концентрационными (рис. 4.12). В качестве примера можно назвать цепь, со­ставленную из двух цинковых электродов, погруженных в растворы ZnSO₄ различной концентрации:

В этой схеме С₁ и С₂— концентрации электролитов, причем C₁>C₂ Поскольку металл обоих электродов один и тот же, стандартные по­тенциалы их (ε_o^Zn ) также одинаковы. Однако из-за различия кон­центрации катионов металла равновесие

в растворе в обоих полуэлементах неодинаково. В полуэлементе с менее концентрированным раствором (С₂) равновесие несколько сдвинуто вправо, т. е.

В этом случае цинк посылает в раствор больше катионов, что при­водит к возникновению на электроде некоторого избытка электро­нов. По внешней цепи они перемещаются ко второму электроду, по­груженному в более концентрированный раствор сульфата цинка ZnSO₄.

Таким образом, электрод, погруженный в раствор большей кон­центрации (C₁), зарядится положительно, а электрод, погруженный в раствор меньшей концентрации, зарядится отрицательно.

В процессе работы гальванического элемента концентрация С₁ постепенно уменьшается, концентрация С₂ увеличивается. Элемент работает до тех пор, пока сравняются концентрации у анода и ка­тода.

Вычисление э.д.с. концентрационных элементов рассмотрим на примере цинкового концентрационного элемента.

Допустим, что концентрация C₁ = l моль/л, а С₂ = 0,01 моль/л. Коэффициенты активности Zn²⁺ в растворах этих концентраций со­ответственно равны: f₁ = 0,061, а f₂ = 0,53. Для вычисления э.д.с. це­пи воспользуемся уравнением (4.91). На основании уравнения Нернста можем написать

4.98

где a₁ и а₂ — активности катионов Zn²⁺ в первом и во втором полу­элементах. Подставляя эти значения ε₁ и ε₂ в уравнение (4.91), получим

4.99

Учитывая, что

получим

4.100

Таким образом, э.д.с. цинковой концентрационной цепи равна 0,030 В. Общее уравнение для вычисления э.д.с. подобных цепей имеет вид

4.101

Из уравнения (4.100) видно, что концентрацию ионов в данном рас- творе можно легко вычислить, если составить цепь, один из элек­тродов которой опущен в исследуемый раствор, а другой— в раствор с известной активностью тех же ионов. Для этой цели необходимо только измерить э.д.с. составленной цепи, что может быть легко сде­лано с помощью соответствующей установки. Концентрационные цепи широко используются в практике для определения рН раство­ров, произведения растворимости труднорастворимых соединений, а также для определения валентности ионов и констант нестойкости в случае комплексообразования.

­