Galvaniniai elementai, elektrodai ir elementų potencialai

Atskiras pusreakcijas jungia du keliai

Modelinėje reakcijoje Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s) cinko oksidacija yra Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻, o vario redukcija yra Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu. Anodas yra oksidacijos elektrodas, o katodas – redukcijos elektrodas.

Šiam galvaniniam elementui išsikraunant, cinko anodas yra neigiamas, o vario katodas – teigiamas. Elektronai išorine laidžia grandine juda nuo cinko link vario. Sutartinė srovės kryptis šioje išorinėje grandinėje yra priešinga elektronų judėjimo krypčiai.

Elektrolite krūvį perneša jonai, o ne išorinės grandinės elektronai

Vidinis joninio laidumo kelias palaiko krūvio pusiausvyrą vykstant elektrodų reakcijoms. Druskos tiltelis yra vienas iš konstrukcinių sprendimų; nebūtina, kad kiekvienas įtaisas turėtų matomą U formos tiltelį. Įprastą srovę tirpale perneša ištirpę jonai, o ne elektronai, judantys tuo tilteliu tarsi metaline viela.

Nurodytose cinko ir vario reakcijose dėl cinko jonų susidarymo ir vario jonų sunaudojimo reikia atitinkamai kompensuoti joninį krūvį. Kokios dalelės migruoja ir ar jos suderinamos, priklauso nuo konkretaus elektrolito ir elemento konstrukcijos. Laidus inertinis elektrodas taip pat gali užtikrinti oksidacijos–redukcijos poros veikimą, pats nebūdamas bendrosios reakcijos reagentu.

Dviejų redukcijos potencialų skirtumas bendroje atskaitos skalėje

Atskirų pusinių elementų potencialai yra santykinės vertės bendroje atskaitos skalėje. Standartinio vandenilio elektrodo potencialas susitarimu prilyginamas nuliui; tai yra atskaitos pasirinkimas, o ne absoliutus fizikinis nulis. Lygindami dvi lentelėje pateiktas vertes, naudokite tą pačią atskaitą, temperatūrą ir aktyvumo apibrėžimo susitarimus.

Mokymui naudojami suapvalinti redukcijos potencialai, kai temperatūra artima 25 °C, yra +0.34 V Cu²⁺/Cu porai ir −0.76 V Zn²⁺/Zn porai. Pagal nurodytą standartinio elemento potencialo susitarimą E°cell = E°cathode,red − E°anode,red = 0.34 − (−0.76) = 1.10 V. Standartinės būsenos apibrėžia aktyvumus ir atskaitas; vien žodis „standartinis“ nereikalauja 298.15 K temperatūros ir nereiškia, kad kiekvieno realaus 1 mol L⁻¹ koncentracijos tirpalo aktyvumas yra 1.

Lygties koeficientai nekeičia įtampos

Potencialas yra intensyvusis dydis. Dauginant pusreakcijos lygtį, kad būtų subalansuoti elektronai, jos lentelėje pateiktas potencialas nedauginamas. Pateiktam Cu + 2 Ag⁺ → Cu²⁺ + 2 Ag modeliui, kurio redukcijos potencialai yra +0.80 ir +0.34 V, E° = 0.46 V; padauginus sidabro pusreakcijos lygtį iš dviejų, jos potencialas netampa +1.60 V.

Grįžtamasis potencialas, kai srovė neteka, ir apkrauto elemento gnybtų įtampa apibūdina skirtingas sąlygas. Varža, kinetiniai viršįtampiai ir pernaša gali paveikti veikiančio elemento įtampą ir srovę. Elektrodo vaidmenį apibrėžia jame vykstanti reakcija; poliškumas turi būti nurodomas pagal veikimo režimą, o ne visam laikui priskiriamas pagal anodo pavadinimą.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Kokia reakcija apibrėžia anodą?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Oksidacija.

   Anodo ženklas taip pat priklauso nuo to, ar elementas veikia galvaniniu, ar priverstiniu režimu.

2. Ar elektronai yra įprasti krūvio nešikliai druskos tiltelio tirpale?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Suderinami judrieji jonai užtikrina vidinį elektros laidumo kelią tirpale.

3. Standartiniame elemente, kuriame Ag⁺/Ag redukcijos potencialas yra +0.80 V, o Cu²⁺/Cu – +0.34 V, sidabras redukuojamas, o varis oksiduojamas. Koks yra E°, kai sidabro pusreakcija padauginama iš dviejų, kad būtų subalansuotas elektronų skaičius?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   +0.46 V.

   Atimkite suderinamus redukcijos potencialus: 0.80 − 0.34 = 0.46 V. Padauginus sidabro pusreakciją iš dviejų, jos potencialas nepadvigubėja, nes jis yra intensyvusis dydis.

4. Ar teigiamas grįžtamasis elemento potencialas nusako faktinį veikimo srovės stiprį?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Veikimą taip pat lemia kinetika, varža, pernaša ir elektrinės grandinės sąlygos.

Ką verta įsidėmėti

• Anode vyksta oksidacija, o katode – redukcija.
• Priskirdami elektrodams poliškumą, nurodykite veikimo režimą.
• Atskirkite elektronų pernašą išorinėje grandinėje nuo joninio laidumo elemento viduje.
• Naudokite tarpusavyje suderintus redukcijos potencialus ir įtampą laikykite intensyviuoju dydžiu.