Схема гальванического элемента как составить железо

Алгоритм составления схемы гальванического элемента.

1. Записать схемы
   электродов.

2. Используя
   уравнение Нернста рассчитать величины
   электродных потенциалов.

3. Определить,
   зная, что φ_к
   
   φ_а,
   электрод-анод и электрод-катод.

4. Составить
   схему гальванического элемента,
   используя принятую форму записи.

5. Записываем
   уравнения катодной, анодной и суммарной
   реакций, идущих в элементе.

6. Рассчитать ЭДС
   гальванического элемента.

Пример
1. Составить
схему гальванического элемента, анодом
которого является магний, погруженный
в раствор соли с концентрацией 0,01М.

Решение.
1.
Записываем схему электрода: Mg|Mg²⁺

1. По
   уравнению. Нернста рассчитываем величину
   электродного потенциала:

1. Так
   как в условии задачи не указан материал,
   из которого изготовлен катод, то
   используя соотношение φ_к
   
   φ_а,
   выбираем металл с более положительным
   потенциалом. Например, цинковый электрод.
   Значение потенциала выбранного электрода
   определяем по таблице «Стандартные
   электродные потенциалы металлов при
   25⁰С».

Следовательно,
.

1. Записываем схему
   гальванического элемента:

А(-)
Mg|Mg²⁺||Zn²⁺|Zn (+)K

1. Записываем
   электродные реакции:

А(-)
Mg

2e^–

Mg²⁺

K(+)
Zn²⁺
+ 2e^–

Zn⁰

Суммарная
реакция: Mg⁰
+ Zn²⁺

Mg²⁺
+ Zn⁰

1. Рассчитываем ЭДС
   гальванического элемента:

Пример
2. Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из водородного электрода,
погруженного в раствор с рН =3 и железного
электрода, погруженного в раствор соли
с концентрацией 0.1М. Рассчитайте ЭДС
элемента.

Решение.
1.
Записываем схемы электродов:

Водородный
– 2Н⁺|
Н₂
(Pt);

Железный
–
Fe|Fe²⁺

1. По
   уравнению Нернста рассчитываем величину
   электродного потенциала железного
   электрода:

Используя
уравнение Нернста (4) рассчитываем
величину электродного потенциала
водородного электрода:

1. Используя
   соотношение φ_к
   
   φ_а
   определяем электрод-анод.

Так
как величина φ-потенциала
железного электрода меньше
следовательно этот электрод является
анодом.

1. Записываем схему
   гальванического элемента:

А(-) Fe|Fe²⁺||2H⁺|H₂ (+)
K

1. Рассчитываем ЭДС
   гальванического элемента.

Задания для
самоконтроля

1. Составьте
   схему гальванического элемента,
   состоящего из никелевого электрода-катода,
   погруженного в раствор соли с концентрацией
   0.02М. Напишите уравнения электродных
   реакций и вычислите ЭДС гальванического
   элемента.

2. Составьте
   схему гальванического элемента,
   состоящего из медного электрода,
   погруженного в раствор соли меди с
   концентрацией 0.01М и железного электрода,
   погруженного в раствор соли железа с
   концентрацией 0.1М. Напишите уравнения
   электродных реакций. Вычислите ЭДС
   гальванического элемента.

3. Составьте
   схему гальванического элемента,
   состоящего из стандартного водородного
   электрода и ртутного электрода.
   Рассчитайте его ЭДС при [Hg²⁺]=0,1
   М. Напишите уравнения электродных
   реакций.

4. Составьте
   схему и рассчитайте ЭДС концентрированного
   гальванического элемента, составленного
   из двух железных электродов, погруженных
   в раствор соли железа с концентрациями
   1 М и 0,01 М. Напишите уравнения электродных
   реакций.

5. В гальваническом
   элементе протекает химическая реакция

Zn+NiSO₄=ZnSO₄+Ni.

Напишите его схему
и уравнения электродных реакций.
Вычислите ЭДС этого элемента при
стандартных условиях. Какой металл
вместо никеля можно взять, чтобы увеличить
ЭДС?

1. Составьте
   схему гальванического элемента,
   состоящего из водородного электрода,
   погруженного в раствор с pH=5,
   и марганцевого электрода, погруженного
   в раствор соли марганца с концентрацией
   0,2 М. Напишите уравнения электродных
   реакций и рассчитайте его ЭДС.

2. Составьте
   схему гальванического элемента,
   состоящего из водородного электрода,
   погруженного в раствор с pH=10,
   и серебряного электрода, погруженного
   в раствор соли серебра с концентрацией
   0,01 М. Напишите уравнения электродных
   реакций и рассчитайте его ЭДС.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Составление схем гальванических элементов, в которых электродами являются два металла

Схема кобальто-хромового гальванического элемента

Задача 8.
Составить схему гальванического элемента, в котором электродами являются два металла Co/Cr, опущенные в растворы их солей с концентрацией ионов 1 моль/л. Описать процессы, которые протекают на катоде и аноде, и вычислить ЭДС гальванического элемента.
Решение:
Электродные потенциалы металлов:

E(Cr³⁺/Cr) = -0,74 B; E(Co²⁺/Co) = -0,28 B. 

Следовательно, в гальваническом элементе, в котором электродами являются два металла Co/Cr, опущенные в растворы их солей с концентрацией ионов 1 моль/л, электроны будут перемещаться от электрода с более положительным значением стандартного потенциала к электроду с более отрицательным значением стандартного потенциала. Так как электродный потенциал собальта (-0,28 B) более электроположителен чем у хрома (-0,74 B), то электроны будут перемещаться от кобальтового электрода к хромовому, т.е. кобальтовый электрод будет катодом, хромовый – анодом.
Тогда схема гальванического элемента будет иметь вид:

(-)Со|Co²⁺(1M)||Cr³⁺(1M)|Cr(+)

На катоде протекает реакция восстановления:

Co2+ + 2 = Со⁰

На аноде будет протекать процесс окисления:

Cr⁰ – 3 = Cr³⁺

Если электроды опущены в растворы их солей с концентрацией ионов 1 моль/л, то значения потенциалов их при этой концентрации будут равны их стандартным электродным потенциалам.
Теперь рассчитаем ЭДС, получим:

ЭДС = Е(катод) – Е(анод) = -0,28 – (-0,74) = +0,46 В.
 

---

Схема гальванического элемента составленного из кобальта и железа

Задача 146.
Дать схему гальванического элемента составленного из кобальтовой и железной пластинок, опущенных в 1М растворы их сульфатов. Указать направление движения электронов в сети и ионов в растворе. Написать уравнения катодного и анодного процессов во время работы элемента и вычислить ЭДС элемента.
Решение:
Электродные потенциалы металлов:

E(Fe²⁺/Fe) = -0,44 B; E(Co²⁺/Co) = -0,28 B. 

Следовательно, в гальваническом элементе, в котором электродами являются два металла Co/Fe, опущенные в растворы их сульфатов с концентрацией ионов 1 моль/л, электроны будут перемещаться от электрода с более положительным значением стандартного потенциала к электроду с более отрицательным значением стандартного потенциала. Так как электродный потенциал собальта (-0,28 B) более электроположителен чем у хрома (-0,74 B), то электроны будут перемещаться от кобальтового электрода к железной пластинки, т.е. кобальтовая пластинка будет катодом, железная пластинка – анодом.
Тогда схема гальванического элемента будет иметь вид:

(-)Со|CoSO₄(1M)||FeSO₄(1M)|Fe(+)

На катоде протекает реакция восстановления:

Co²⁺ + 2 = Со⁰

На аноде будет протекать процесс окисления:

Fe⁰ – 2 = Fe²⁺

Если электроды опущены в растворы их солей с концентрацией ионов 1 моль/л, то значения потенциалов их при этой концентрации будут равны их стандартным электродным потенциалам. К катоду будут двигаться ионы Со²⁺ и там разряжаться, а к аноду будут двигаться ион SO₄^2- которые соединяются с ионами Fe²⁺, образуя FeSO₄:

Fe²⁺  +  SO₄^2- = FeSO₄.

Теперь рассчитаем ЭДС, получим:

ЭДС = Е(катод) – Е(анод) = -0,28 – (-0,44) = +0,16 В.  

---

Фундаментальные законы физики и химии, и в том числе, закон сохранения массы и энергии вещества, находят свое подтверждение на уровне перемещения мельчайших частиц – электронов, массами которых в химии обычно пренебрегают.

Речь идет об окислительно-восстановительных процессах, сопровождающихся переходом электронов от одних веществ (восстановителей) к другим (окислителям). Причем вещества могут обмениваться электронами, непосредственно соприкасаясь друг с другом.

Однако существует множество случаев, когда прямого контакта веществ не происходит, а процесс окисления-восстановления все равно идет. А если он идет самопроизвольно, то при этом еще и энергия выделяется. Ее человек с успехом использует для выполнения электрической работы.

Реализуется такая возможность в гальваническом элементе, схема работы которого, а также расчеты, связанные с ним,  рассматриваются в данной статье.

Содержание:

1) Простейший гальванический элемент: схема работы.

2) Как устроен гальванический элемент Даниэля-Якоби, или Так где же все-таки электрический ток?

3) Типовые задачи на схему гальванического элемента: примеры решения.

Простейший гальванический элемент: схема работы

Гальванический элемент – это прибор, позволяющий при посредстве химической реакции получить электрическую энергию.

Пластинка металла и вода: простые взаимоотношения

Давайте сначала разберемся, что происходит с пластинкой металла, если опустить ее в воду?

Процесс схож с диссоциацией соли: диполи воды ориентируются к ионам металла и извлекают их из пластины. Но почему же тогда не происходит растворения самой пластины в воде? Все дело в строении кристаллической решетки.

Кристаллы соли состоят из катионов и анионов, поэтому диполями воды извлекаются из решетки и те, и другие.

У металла же кристаллическая решетка представлена атомами-ионами. Внутри нее всегда происходит превращение атомов в катионы за счет отщепления валентных электронов и обратный процесс: катионы снова превращаются в атомы, присоединяя электроны. Электроны являются общими для всех ионов и атомов, присутствующих в кристаллической решетке металла.

Процессы внутри металлической кристаллической решетки в обобщенном виде можно показать так:

В итоге, вода, окружающая пластинку – это уже не собственно вода, а раствор, составленный из молекул воды и перешедших в нее из пластины  ионов металла. На  пластине же возникает избыток электронов, которые скапливаются у ее поверхности, так как сюда притягиваются гидратированные катионы металла.

Возникает так называемый двойной электрический слой.

Бесконечно катионы металла с пластины в раствор уходить не будут, поскольку существует и обратный процесс: переход катионов из раствора на пластину. И он будет идти до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие:

На границе раздела «металлическая пластина – раствор» возникает разность потенциала, которая называется равновесным электродным потенциалом металла.

 Пластинка металла и раствор его соли: к чему приводит такое соседство

А что произойдет, если металлическую пластинку поместить не в воду, а в раствор соли этого же металла, например, цинковую пластинку Zn в раствор сульфата цинка ZnSO₄?

В растворе сульфата цинка уже присутствуют катионы цинка Zn²⁺. Таким образом, при погружении в него цинковой пластины возникнет избыточное количество этих катионов, и уже известное нам равновесие (см. выше) сместится влево. Все это приведет к тому, что отрицательный заряд на пластинке будет иметь меньшее значение, так как меньшее количество катионов с нее будет переходить в раствор. Как результат – более быстрое наступление равновесия и менее значительный скачок потенциала.

Потенциал металла в растворе его же соли в момент равновесия записывают так:

Металл, погруженный в раствор электролита, называют электродом, обратимым относительно катиона.

Цинк – достаточно активный металл. А если речь будет идти о медной пластинке Cu, погруженной в раствор, например, сульфата меди (II) CuSO₄?

Медь – металл малоактивный. Двойной электрический слой, конечно же,  появится и в этом случае. Но! Катионы из пластинки в раствор переходить не будут. Наоборот, катионы меди (II) Cu²⁺из раствора соли начнут встраиваться в кристаллическую решетку пластинки и создавать положительный заряд на ее поверхности. Сюда же подойдут сульфат-анионы SO₄^2-и создадут вокруг нее отрицательный заряд. То есть распределение зарядов в данном случае будет совершенно противоположным, чем на цинковой пластинке.

Это общая закономерность: пластинки из малоактивных металлов при погружении в раствор их солей всегда заряжаются положительно.

Как устроен гальванический элемент Даниэля-Якоби, или Так где же все-таки электрический ток?

Известно, что электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (электронов).

На активном металле скапливаются электроны, а поверхность малоактивного металла, заряжается положительно. Если соединить проводником (например, металлической проволокой) оба металла, то электроны с одного перейдут на другой, а двойной электрический слой перестанет существовать. Это будет означать возникновение электрического тока.

Причем, ток возникает за счет окислительно-восстановительного процесса: активный металл окисляется (так как отдает электроны малоактивному), а малоактивный металл восстанавливается (так как принимает электроны от активного). Металлы друг с другом не соприкасаются, а взаимодействуют через посредника: внешнего проводника. Данная схема и есть схема гальванического элемента. Именно так устроен и работает гальванический элемент Даниэля-Якоби:

В схеме элемента показан «солевой мостик». Он представляет собой трубку, в которой присутствует электролит, не способный взаимодействовать ни с электродами (катодом или анодом), ни с электролитами в пространствах у электродов. Например, это может быть раствор сульфата натрия Na₂SO₄. Подобный мостик нужен для того, чтобы уравновешивать (нейтрализовать) заряды, образующиеся в растворах гальванического элемента.

Таким образом, возникшая электрическая цепь замыкается: анод → проводник с гальванометром → катод → раствор в катодном пространстве → «солевой мостик» → раствор в анодном пространстве → анод.

Анод – электрод, на котором происходит окисление (цинковая пластинка):

Электроны цинка Zn отправляются по внешней цепи (то есть по проводнику) на катод.

Катод – электрод, на котором происходит восстановление (медная пластинка):

Катионы меди Cu²⁺, пришедшие на пластинку из раствора сульфата меди (II), получают электроны цинкового анода.

В общем виде весь процесс окисления-восстановления в гальваническом элементе выглядит так:

Для любого гальванического элемента можно составить запись в виде схемы. Например, для приведенного элемента Даниэля-Якоби она будет выглядеть так:

Здесь:

1 – анод;

2 – катод;

3 – скачок потенциала (граница раздела фаз);

4 – электролит в анодном пространстве;

5 – электролит в катодном пространстве;

6 – граница между растворами (солевой мостик).

Или сокращенно:

Типовые задачи на схему гальванического элемента: примеры решения

По вопросу, рассмотренному в данной статье, возможны два основных вида задач.

Задача 1. Составьте схему гальванического элемента, в котором протекает реакция:

Решение:

Задача 2. Напишите электродные и суммарные уравнения реакций, протекающих в гальваническом элементе:

Решение:

Итак, разобрав принцип работы гальванического элемента, мы научились записывать схему его работы и определять основные процессы на электродах.

Чтобы самыми первыми узнавать о новых публикациях на сайте, присоединяйтесь к нашей группе ВКонтакте.

Задачи