Газовые электроды

Состоят из металлического проводника (чаще всего платины), контактирующего одновременно с газом и электролитом. Металлический проводник не принимает участие в электродной реакции, а служит для передачи электронов к ионам в растворе и наоборот.

Водородный электрод – это инертный металл (чаще всего платинированная платина), соприкасающийся с ним электролит с определенным рН и газообразный водород (Н₂), омывающий металл в виде пузырьков. На границе раздела фаз Pt, Н₂½ раствор в зависимости от рН раствора устанавливается равновесие:

a) в кислой среде (рН < 7): 2Н⁺ + 2ē ↔ Н₂.

Схема водородного электрода Pt, Н₂ ½ Н⁺.

b) в щелочной и нейтральной средах (рН ≥ 7): 2Н₂О + 2ē ↔ Н₂ + 2ОН⁻ .

Величина потенциала водородного электрода φ (Н₂) зависит от рН раствора и при Т = 289К φ (Н₂) = − 0, 059 рН.

Кислородный электрод – это металл, соприкасающийся с ним электролит с определенным рН и газообразный кислород, омывающий металл в виде пузырьков. На границе раздела фаз Pt, О₂½ раствор в зависимости от рН устанавливается равновесие:

a) в кислой среде (рН < 7): О₂ + 4 Н⁺ + 4ē ↔ 2Н₂О.

Схема кислородного электрода: Pt, О₂│ Н⁺.

b) в щелочной и нейтральной средах (рН ³ 7):

О₂ + 2Н₂О + 4ē ↔ 4ОН⁻

Схема кислородного электрода: Pt, О₂½ ОН⁻ .

Величина потенциала кислородного электрода φ (О₂) при Т = 289К и максимальной растворимости кислорода в воде при этой температуре, равной С (О₂) = 2, 6 × 10^{-4 М, рассчитывается по уравнению:}

φ (О₂) = 1, 213 – 0, 059 рН

Гальванический элемент – химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается за счет изменения свободной энергии химической реакции, протекающей в нем. Два металла, прогруженные в растворы их солей, соединенные между собой проводником, образуют гальванический элемент. Схематически такой элемент изображается так:

(А) Ме₁ ½ Ме₁ ^z+ (С ₁) ½ ½ Ме₂ ^z+ (С ₂) ½ Ме₂ (К),

где две вертикальные черты обозначают границу раздела между электролитами. Если φ ₁(Ме₂) < φ ₂(Ме₂), то при соединении Ме₁ и Ме₂ между собой металлическим проводником электроны по этому проводнику самопроизвольно перейдут от электрода с меньшим потенциалом (Ме₁) к электроду с большим потенциалом (Ме₂). За счет этого перехода произойдет процесс окисления Ме₁ с переходом в раствор катионов Ме и процесс восстановления катионов из раствора на Ме₂.

Процесс окисления называется анодным, а электрод, на котором он происходит, − анодом (А); процесс восстановления называется катодным, а электрод, на котором он происходит, − катодом (К).

Процессы, протекающие в гальваническом элементе, записываются следующим образом:

анодный процесс: Ме₁ – zē ® Ме (окисление);

катодный процесс: Ме + zē ® Ме₂ (восстановление).

Токообразующая реакция: Ме₁ + Ме ↔ Ме + Ме₂.

Токообразующая реакция получается суммированием катодного и анодного процессов с учетом того, что число электронов в этих процессах должно быть одинаково. Причиной возникновения электрического тока в гальваническом элементе является разность потенциалов электродов, за счет которой совершается электрическая работа (W_э):

W_э = zFE_ГЭ,

где F – число Фарадея, F =96500 Кл;

z – число электронов;

Е_ГЭ – электродвижущая сила гальванического элемента (ЭДС), В.

 

ЭДС элемента − максимальная разность потенциалов, которая может быть получена при работе гальванического элемента:

Е_ГЭ = φ _к – φ _а,

где φ _к, φ _а – равновесные потенциалы катода и анода гальванического элемента, В.

С другой стороны, максимальная полезная работа (W_{x.p .}), которую совершает система при постоянном давлении, равна изменению энергии Гиббса токообразующей реакции:

W_x.p. = ∆ G (Ме ) − ∆ G (Me ), Дж,

где ∆ G (Ме ), ∆ G (Me ), – стандартная энергия Гиббса образования соответствующих ионов, Дж/моль (значения ∆ G приводятся в термодинамических справочниках).

Так как W_э = W_x.p., то Е_ГЭ = − .

Термодинамическое условие работы гальванического элемента:

Е_ГЭ > 0 или φ _к > φ _а .

 

Концентрационный гальванический элемент (ГЭ) состоит из электродов одного и того же металла, погруженных в растворы солей этого металла разной концентрации. Схема концентрационного ГЭ:

Ме₁ ½ Ме^Z+(С ₁) ½ ½ Ме^Z+(С ₂) ½ Ме

Если С ₁(Ме^Z+) < С ₂(Ме^Z+), то, согласно уравнению Нернста, φ ₁ < φ ₂ и электрод 1 будет анодом, а электрод 2 – катодом. Электродные процессы:

анодный: Ме – zē → Ме^z+

катодный: Ме^z+ + zē → Ме

Е_ГЭ = φ _р (Ме) = φ _к – φ _a = lg .

Концентрационный ГЭ работает до тех пор, пока концентрации металлов у катода и анода не сравняются.