ОВР в гальваническом элементе
В гальваническом элементе энергия самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию. Окисление и восстановление пространственно разделены: электроны переходят по внешней цепи от восстановителя к окислителю, поэтому возникает электрический ток.
Что происходит в гальваническом элементе
Гальванический элемент обычно состоит из двух полуэлементов: электродов, погружённых в растворы электролитов. В одном полуэлементе протекает окисление, в другом — восстановление. Электроды соединены металлическим проводником, а растворы — солевым мостиком или пористой перегородкой.
Гальванический элемент — устройство, в котором самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция вызывает направленное движение электронов по внешней электрической цепи.
Важное правило: анодом называют электрод, на котором идёт окисление, а катодом — электрод, на котором идёт восстановление. Это определение не зависит от типа устройства. В гальваническом элементе анод имеет отрицательный знак, катод — положительный. Подробное сравнение электродов приведено на странице анод и катод гальванического элемента.
| Участок элемента | Процесс | Движение электронов | Знак в гальваническом элементе |
|---|---|---|---|
| Анод | Окисление | Электроны образуются | − |
| Катод | Восстановление | Электроны поглощаются | + |
Электроны движутся по внешней металлической цепи от анода к катоду. Внутри растворов электроны не являются основными переносчиками заряда: там перемещаются катионы и анионы. Солевой мостик поддерживает электрическую нейтральность растворов и замыкает внутреннюю часть цепи.
Полуреакции и суммарное уравнение
Для описания ОВР в элементе составляют две полуреакции. В полуреакции окисления электроны записывают справа, потому что частица их отдаёт. В полуреакции восстановления электроны записывают слева, потому что частица их принимает.
Число отданных электронов должно быть равно числу принятых. После сложения полуреакций одинаковые электроны сокращают. В суммарном уравнении электроны не записывают.
В этой реакции цинк — восстановитель: он отдаёт электроны и окисляется. Ионы меди(II) — окислитель: они принимают электроны и восстанавливаются. Масса цинкового электрода уменьшается, а масса медного электрода увеличивается.
Куда направлены электроны во внешней цепи цинк-медного элемента?
Связь ОВР с электрическим током
Если окислитель и восстановитель соприкасаются непосредственно, электроны переходят между частицами внутри реакционной смеси. Энергия такого перехода в основном рассеивается в виде теплоты. В гальваническом элементе полу реакции разделяют, поэтому электроны вынуждены проходить через внешний проводник.
На аноде образуются катионы \(\mathrm{Zn^{2+}}\), поэтому раствор около анода получает избыток положительных зарядов. В него направляются анионы солевого мостика. На катоде катионы \(\mathrm{Cu^{2+}}\) расходуются, поэтому туда перемещаются катионы солевого мостика.
Число электронов, отданных восстановителем на аноде, равно числу электронов, принятых окислителем на катоде. Именно этот баланс обеспечивает суммарную электронейтральность ОВР.
ЭДС и направление реакции
Способность электрода принимать электроны характеризуют окислительно-восстановительным потенциалом. Для сравнения электродов используют стандартный электродный потенциал. Чем больше стандартный потенциал пары, тем легче её окисленная форма принимает электроны и тем вероятнее восстановление на катоде.
Если \(E^\circ_{\text{элемента}}>0\), записанная в прямом направлении реакция при стандартных условиях термодинамически возможна самопроизвольно. В школьных задачах сначала выбирают катодом пару с большим потенциалом восстановления, а анодом — пару с меньшим потенциалом.
Запись элемента показывает порядок его частей, например \(\mathrm{Zn|Zn^{2+}||Cu^{2+}|Cu}\). Одинарная черта обозначает границу электрод–раствор, двойная — солевой мостик или перегородку. Слева записывают анод, справа — катод.
Разобранный пример: цинк-медный элемент
Для элемента \(\mathrm{Zn|Zn^{2+}||Cu^{2+}|Cu}\) определите анод, катод, направление движения электронов, суммарную реакцию и стандартную ЭДС, если \(E^\circ(\mathrm{Zn^{2+}/Zn})=-0{,}76\) В, а \(E^\circ(\mathrm{Cu^{2+}/Cu})=+0{,}34\) В.
Ответ Проверка
- Анод — цинковый электрод, на нём окисление.
- Катод — медный электрод, на нём восстановление.
- Электроны идут от Zn к Cu.
- Суммарная реакция: \(\mathrm{Zn+Cu^{2+}\rightarrow Zn^{2+}+Cu}\).
- Стандартная ЭДС равна \(1{,}10\) В.
1. Нельзя считать анодом всегда отрицательный электрод: знак зависит от типа устройства, а процесс на аноде всегда один — окисление. 2. Не путайте направление электронов и условное направление тока: электроны идут от анода к катоду, ток во внешней цепи направлен противоположно. 3. В формуле ЭДС нельзя складывать потенциалы без учёта знака анода: нужно вычитать потенциал анода из потенциала катода. 4. Не включайте электроны в суммарное уравнение реакции. 5. Солевой мостик не переносит электроны между растворами.
Алгоритм решения заданий
- Определите частицы, которые могут отдавать и принимать электроны.
- Запишите полуреакции окисления и восстановления.
- Назначьте анод по окислению, катод по восстановлению.
- Уравняйте число электронов и сложите полуреакции.
- Укажите направление электронов: от анода к катоду.
- Если даны потенциалы, вычислите \(E^\circ\) как потенциал катода минус потенциал анода.
- Проверьте изменение масс электродов и состава растворов.
Для заданий на электронный баланс полезно отделять процесс на электродах от общего уравнения. Например, если металл отдаёт три электрона, а ион принимает два, полуреакции умножают на коэффициенты 2 и 3 соответственно, чтобы общее число электронов стало равным шести.
Проверь себя
Главное
- В гальваническом элементе ОВР разделена на два электрода, поэтому электроны проходят по внешней цепи.
- Анод — место окисления и источник электронов; катод — место восстановления и приёмник электронов.
- Электроны движутся от анода к катоду, а ионы перемещаются внутри растворов и солевого мостика.
- Суммарную реакцию получают сложением уравненных полуреакций с сокращением электронов.
- Стандартную ЭДС находят по формуле \(E^\circ_{\text{элемента}}=E^\circ_{\text{катода}}-E^\circ_{\text{анода}}\); положительная ЭДС указывает на самопроизвольное направление при стандартных условиях.