Что такое ЭДС гальванического элемента
Содержание
ЭДС означает «электродвижущая сила». Этот термин используется для обозначения разницы потенциалов, возникающих между двумя электродами в вольтовой ячейке. Проще говоря, это движущая сила химических реакций, в результате которых возникает электричество. ЭДС гальванических элементов измеряется в вольтах и может быть использована для определения термодинамической целесообразности реакции или стандартного потенциала гальванической ячейки. ЭДС используется в электрохимии для описания поведения многих веществ.
Что такое ЭДС в химии
Электрохимические ячейки — это системы, в которых происходит реакция окисления-восстановления, способствующая возникновению электричества, что может быть использовано для питания устройств или выполнения работы. Состоят такие ячейки или элементы из двух электродов. Одни из них принимает электроны (катод), а другой (анод) — выделяет.
ЭДС возникает в результате движения отрицательно заряженных частиц. Они могут перемещаться между атомами, что приводит к образованию либо разрыву химических связей. В гальванических материалах электроны перемещаются между электродами. Этот процесс порождает электричество. ЭДС или электродвижущая сила гальванического элемента определяется разностью восстановительных потенциалов между двумя электродами. Эта разность связана со стандартным изменением свободной энергии Гиббса общей реакции в ячейке.
От чего зависит ЭДС гальванического элемента
Основным фактором является разница в потенциалах восстановления двух электродов, участвующих в работе гальванического элемента. Восстановительный потенциал — это мера склонности химического вещества к обновлению или получению электронов. Чем больше разница в потенциалах восстановления между двумя электродами, тем больше электродвижущая сила ячейки. Эта разница также известна как напряжение ячейки.
Другим фактором, влияющим на ЭДС любого гальванического элемента, является концентрация ионов в веществах, участвующих в окислительно-восстановительном взаимодействии. Изменение концентрации реагентов влечет за собой изменение электродвижущей силы.
Температура — еще один важный фактор. Электродвижущая сила связана с изменением свободной энергии Гиббса общей реакции элемента, которая зависит от температуры. Если гальванический элемент нагревать, то ЭДС может уменьшаться из-за изменения энтальпии и энтропии системы. Поэтому важно учитывать температуру, выполняя расчет ЭДС.
Как определяется ЭДС
В гальваническом веществе главную роль при генерации электричества играют электроды. В ходе химической реакции на аноде скапливаются электроны, а при реакции на катоде они расходуются. Разница в скорости этих реакций приводит к возникновению электричества. Поэтому ЭДС между электродами гальванического элемента равна разнице потенциалов между ними.
Важно также понимать факторы, влияющие на поведение гальванического элемента. Одним из них является электронная емкость электродов, то есть, их способность накапливать заряд. Емкость можно определить путем измерения ЭДС гальванического элемента и тока при различных условиях. Она зависит от таких факторов, как площадь поверхности, тип используемого материала и электродный потенциал. Последний отображает склонность электрода терять или набирать электроны. Он зависит от количества ионов в веществе, температуры и других факторов. Понимая эти факторы, можно управлять поведением гальванического элемента и оптимизировать его работу для конкретного применения.
ЭДС гальванического элемента является разностью электродных потенциалов:
Один из электродов (анод) является окислителем, а другой (катод) восстановителем. Поэтому можно записать:
Если ЭДС имеет знак плюс, то окислительно-восстановительная реакция протекает самопроизвольно. В противном случае самопроизвольной является обратная реакция.
Когда электрохимическая ячейка находится в стандартных условиях, рассчитать ЭДС на электродах гальванического элемента, можно с помощью стандартных электродных потенциалов. Чтобы узнать их значение, понадобится специальная таблица, которую можно найти в справочной литературе.
Разница стандартных электродных потенциалов — это стандартная ЭДС гальванического элемента.
Чтобы определить стандартную ЭДС, например, для ячейки, состоящей из свинцового и никелевого электродов, следует сначала в таблице найти значения потенциалов, а потом рассчитываем разницу.
На потенциал электрода оказывает влияние не только химический состав материала из которого изготовлен электрод, но также температура и концентрация ионов в растворе. Когда эти условия отличаются от стандартных, для расчета ЭДС используется формула Нернста.
Методы измерения электродвижущей силы
ЭДС гальванического элемента представляют в виде двух скачков потенциала, присутствующего на границе между металлом и раствором. Но нельзя измерить скачок потенциала на каждом из электродов, а вот сумму скачков на обоих электродах можно измерить. Поэтому, если один из электродов заменить так называемым электродом сравнения, то на другом электроде будет наблюдаться скачок потенциала отличный от ЭДС на некоторую постоянную величину, соответствующую величине скачка потенциала в эталонном электроде.
Как электрод сравнения принято использовать стандартный водородный электрод с концентрацией ионов водорода 1 моль/литр при давлении водорода 101 кПа и температуре 25 градусов.
Измерение ЭДС гальванического элемента должно выполняться при отсутствии тока, поскольку в противном случае в исследуемой электрохимической системе будут происходить необратимые процессы, связанные с изменением концентрации реагентов. К тому же наличие тока в ячейке способствует поляризации электродов. Поэтому используются катодные вольтметры с большим внутренним сопротивлением, потребляющие очень незначительный ток. Но чаще применяют метод, заключающийся в том, что ЭДС элемента уравновешивают внешней калиброванной разностью потенциалов. Он называется компенсационным. Самая простая схема измерения ЭДС таким методом представлена на рисунке ниже.
Гальванический элемент, ЭДС которого надо измерить (Ех), подключается последовательно к гальванометру Г. Измеряемый параметр компенсируется ЭДС вспомогательного элемента Е. Величина этой силы известна, а знак должен быть противоположным по отношению к тому, что есть у ЭДС исследуемого элемента. При выполнении измерений следует изменять положение точки С, то есть, соотношение сопротивлений участков АС и АВ (сопротивления обозначаются как n и n+m). Таким образом, отношение электродвижущих сил соответствует отношению сопротивлений:
С помощью компенсационного метода можно определить ЭДС с довольно высокой точностью. Следует отметить, что на результат измерения не влияет сопротивление гальванометра и соединительных проводов. Рабочий ток вспомогательного элемента Е устанавливают, пользуясь эталонным элементом, значение ЭДС которого известно с точностью до 0.001%.
Еще одним способом измерения является использование потенциометра — прибора, с помощью которого с высокой точностью можно измерить разность потенциалов между двумя точками в цепи. В этом случае стандартный элемент с известной ЭДС подключается к одному концу потенциометра, а гальванический элемент к другому. Потенциометр регулируется до тех пор, пока разность потенциалов между двумя точками не станет равной нулю, после чего можно вычислить ЭДС исследуемого гальванического элемента.
При манипуляциях, связанных с определением ЭДС, используют также мост Кельвина, который представляет собой устройство, измеряющее сопротивление проводника с высокой точностью. Гальванический элемент подключается к мосту, а затем измеряется его сопротивление. Сравнивая результат измерений с известным сопротивлением эталонного элемента, и основываясь на законе Ома, найдем ЭДС.
ЭДС гальванического элемента определяется еще одним не очень распространенным методом, который основывается на измерении изменения свободной энергии общей реакции электрохимической ячейки. Это можно сделать, измерив изменение энтальпии и энтропии системы и используя уравнение свободной энергии Гиббса. Когда изменение свободной энергии известно, потенциал находят по формуле:
При измерении потенциала ячейки важно убедиться, что она находится в стандартных условиях. К таким относятся температура +25 градусов, давление 1 атм и концентрация 1 моль/л для всех реагентов. Если ячейка находится не в стандартных условиях, можно использовать уравнение Нернста для вычисления потенциала в нестандартных условиях.
Загрузка...
