Десятый класс → Электрохимия ↓
Гальванический элемент и электрохимический ряд
Гальванические элементы, также известные как вольтовы элементы, являются устройствами, используемыми в электрохимии для преобразования химической энергии в электрическую. Этот процесс происходит через окислительно-восстановительные реакции, происходящие в этих элементах. Концепция гальванического элемента является фундаментальной для понимания того, как работают батареи и как электричество может быть произведено из химических реакций.
Что такое гальванический элемент?
Гальванический элемент состоит из двух различных металлов, соединенных соляным мостиком или пористой мембраной. Каждый металл погружен в раствор электролита. Два металла или электрода имеют различные тенденции к потере или приобретению электронов. Эта разница в тенденции вызывает поток электронов от одного электрода к другому, создавая электрический ток.
Эта диаграмма показывает основной гальванический элемент. Цинк (анод) находится слева, а медь (катод) — справа, содержащие растворы ZnSO4 и CuSO4 соответственно. Электроны текут от цинкового электрода к медному электроду.
Компоненты гальванического элемента
Анод и катод
Анод — это электрод, на котором происходит окисление. В гальваническом элементе он является отрицательным электродом. Электроны генерируются на аноде и переносятся через внешнюю цепь к катоду. Например, в цинково-медном гальваническом элементе цинк является анодом:
Zn(s) → Zn2+ (aq) + 2e-Катод — это электрод, на котором происходит восстановление. Он является положительным электродом в гальваническом элементе. Электроны переносятся от внешней цепи к катоду. В цинково-медном элементе медь является катодом:
Cu2+ (aq) + 2e- → Cu(s)Соляной мостик
Соляной мостик — это важный компонент, который помогает гальваническому элементу функционировать правильно. Он позволяет ионам перемещаться между двумя половинками ячейки, чтобы поддерживать баланс заряда. Обычно он сделан из раствора соли, такого как KCl или KNO3, который не реагирует с химическими веществами в элементе.
Электрохимический ряд
Электрохимический ряд, также известный как ряд реактивности, представляет собой список элементов, расположенных по стандартному электродному потенциалу. Эти потенциалы указывают на способность элемента окисляться или восстанавливаться. Этот ряд помогает нам предсказать направление окислительно-восстановительных реакций и также говорит, какой электрод будет анодом или катодом в гальваническом элементе.
Пояснение стандартного электродного потенциала
Стандартный электродный потенциал (E0) измеряется в вольтах (В) и указывает на способность вещества приобретать электроны (восстановительный потенциал) или терять электроны (окислительный потенциал) в стандартных условиях. Элементы с более высокими восстановительными потенциалами с большей вероятностью приобретают электроны.
Водороду присвоен стандартный восстановительный потенциал, равный 0.00 В, который служит в качестве точки отсчета:
H2 → 2H+ + 2e- E0 = 0.00 ВИспользование электрохимического ряда
Рассмотрим два металла, металл А и металл B, с их стандартными электродными потенциалами:
- Металл А:
E0 = -0.76 В(пример: цинк) - Металл B:
E0 = +0.34 В(пример: медь)
Поскольку медь имеет высокий стандартный восстановительный потенциал, она действует как катод, а цинк действует как анод. Поток электронов идет от цинка к меди.
Расчет потенциала ячейки
Общий потенциал ячейки можно рассчитать с использованием следующего уравнения:
Eячейки = Eкатода - EанодаДля цинк-медной ячейки:
- Цинк (анод):
Eанода = -0.76 В - Медь (катод):
Eкатода = +0.34 В
Таким образом, потенциал ячейки равен:
Eячейки = 0.34 В - (-0.76 В) = 1.10 ВПрименение гальванических элементов
Гальванические элементы используются в различных областях для питания устройств. Вот некоторые распространенные применения:
- Батареи: Гальванические элементы являются основой батарей, которые питают электронные устройства, транспортные средства и т. д.
- Предотвращение коррозии: Жертвенные аноды используются в гальванических элементах для предотвращения коррозии металлических конструкций.
- Электроплакирование: Процесс электроплакирования использует гальванические элементы для нанесения металлов на поверхности.
Пример простой батареи
Распространенным примером простой батареи является элемент Даниэля с цинковым анодом и медным катодом:
- Реакция на аноде:
Zn(s) → Zn2+ (aq) + 2e- - Реакция на катоде:
Cu2+ (aq) + 2e- → Cu(s)
Эта базовая концепция может быть расширена для создания более сложных батарей, таких как щелочные батареи, литий-ионные батареи и т.д., в зависимости от используемых материалов и химических веществ.
Заключение
Понимание гальванического элемента и электрохимического ряда необходимо для понимания того, как химические реакции могут производить электричество. Эти концепции являются основополагающими в разработке батарей, которые жизненно важны для современной технологии. Изучая различные компоненты и реакции в гальваническом элементе, мы получаем представление об электрохимических процессах, которые питают многие аспекты нашей повседневной жизни.
Комментарии