Підготовка до ЗНО з хімії

Як відомо, електродні потенціали усіх редокс-систем відрізняються між собою. Ця різниця дозволяє використовувати редокс-системи для створення джерел електричного струму, у яких енергія хімічних реакцій перетворюється в електричну.

Пристрій, у якому енергія редокс-реакцій перетворюється в електричну називають гальванічним елементом (ГЕ).

Найпростішим ГЕ є елемент Даніеля-Якобі, в основі роботи якого лежить ОВР:

Zn + CuSO₄ = Cu + ZnSO₄

Zn⁰ + Cu²⁺ = Cu⁰ + Zn²⁺

 

Рис. 10.1. Схема ГЕ Даніеля-Якобі.

Цей ГЕ складається з мідного і цинкового електродів, занурених у розчини відповідних сульфатів (CuSO₄ та ZnSO₄) і з’єднаних сольовим містком (скляна трубка, заповнена розчином калій хлориду KCl), який є “провідником” іонів і не допускає змішування розчинів солей (рис. 10.1).

Розглянемо механізм роботи ГЕ Даніеля-Якобі. Раніше зазначалось, що при зануренні металу у розчин його солі, відбувається окиснення металу або відновлення його катіонів з розчину солі, що зумовлює виникнення електрохімічного потенціалу. Це стосується і даного випадку.

На цинковому електроді відбувається процес Zn⁰ – 2е  = Zn²⁺,. який зумовлює виникнення негативного заряду на електроді за рахунок адсорбції аніонів.

На мідному електроді проходить реакція Cu²⁺ + 2е = Cu⁰, відбувається адсорбція катіонів, за рахунок чого електрод набуває позитивного заряду.

Якщо цинковий електрод з’єднати з мідним за допомогою зовнішнього провідника, то надлишок електронів з цинкового електрода по провіднику перейде на мідний. На мідному електроді надлишок електронів буде спонукати дальше проходження реакції Cu²⁺ + 2е = Cu⁰. Сульфат-іони SO₄^2–, які вивільняються при цьому, по сольовому містку перейдуть до цинкового електрода, де сполучаючись з катіонами Zn²⁺ утворять ZnSO₄.

Поряд з цим, катіони Zn²⁺ перейдуть тим же шляхом у розчин СuSO₄, де заміщатимуть іони Cu²⁺ за схемою Zn²⁺ + СuSO₄ = Cu²⁺ + ZnSO₄. З часом весь розчин СuSO₄ перетвориться у розчин ZnSO₄. ГЕ буде працювати, поки весь цинк не перейде в розчин (у вигляді іонів Zn²⁺).

Вважається, що струм проходить від точки з вищим потенціалом (умовно позначається “+”) до точки з нижчим (умовно позначається “–”). Позитивного заряду набуває мідний електрод, тому знак “+” одержує він (анод), а цинковий – негативного, тому йому приписують знак “‑”(катод).

Кількісною характеристикою ГЕ є його електрорушійна сила (ЕРС), тобто максимальна різниця потенціалів на аноді та катоді. Для випадку ГЕ Даніеля-Якобі знаходимо значення потенціалів систем Сu²⁺/Cu (+ 0,338 В) та Zn²⁺/Zn (– 0,763 В). Маємо:

ЕРС =  = + 0,338 В – (– 0,763) В = 1,101 В.

Одним з видів ГЕ є паливний елемент. У ньому електричний струм утворюється за рахунок окиснення палива (молекулярного водню Н₂). Окисник (кисень повітря О₂) і відновник (паливо) подаються у систему ззовні. При роботі паливного елемента відбуваються процеси:

Н₂ – 2е  = 2Н⁺,

О₂ + 2Н₂О + 4е  = 4ОН^–,

сумарно 2Н₂ + О₂ + 2Н₂О = 4ОН^– + 4Н⁺ або 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О,

тобто фактично зводяться до горіння Н₂.

Робота розглянутих ГЕ не є постійною і припиняється у випадку закінчення одного з учасників редокс-процесу. Практичне значення мають джерела постійного електричного струму.

Як джерела постійного електричного струму ефективні і зручні в роботі акумулятори – ГЕ багаторазового використання.

Розглянемо для прикладу роботу кислотного свинцевого акумулятора. Він побудований із занурених у розчин сульфатної кислоти H₂SO₄ електродів – чисто свинцевого і аналогічного, вкритого шаром плюмбум (IV) оксиду PbO₂. При роботі акумулятора на електроді без покриття відбувається реакція:

Pb + SO₄^2– – 2е  = PbSO₄,

на іншому електроді іде процес:

PbO₂ + 4H⁺ + + SO₄^2– + 2е  = PbSO₄ + 2H₂O.

Сумарно:      Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O.

Коли весь Pb і PbO₂ перетворюються у PbSO₄, акумулятор “сідає”. Зарядити його можна пропускаючи через акумулятор постійний електричний струм. При цьому відбуваються реакції:

PbSO4 + 2е  = Pb2+ + SO42– 2PbSO4 + 2H2O – 2е  = PbO2 + 4H+ + SO42–

2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4