Основи хімії (стр. 14 из 21)
Кристалічна решітка складається із іонів металу і електронів, які вільно переміщуються в ньому.
Так, як абсолютно нерозчинних речовин нема, то і метали будуть розчинятися.
Уявіть собі, що ви опускаєте натрій у склянку з водою. Він почне розчинятися, посилаючи іони у воду. Вода від цих іонів метала зарядиться позитивно +, а електрони, які залишилися у металі зарядять його негативно.
Таким чином будь – який метал опущений у воду зарядиться негативно.
У вакуумі електрони, які вільно переміщаються по металу почнуть виходити у вакуум, заряджаючи його негативно., а іони метала, які залишилися зарядять метал позитивно. Таким чином, будь який метал у вакуумі, завжди зарядиться позитивно.
Поняття про електродні потенціали. Виникнення стрибка потенціалу.
Давайте розберемо 3 випадки.
ZnSO4 | 2 | ZnSO4 |
Н2О |
1 3
1. У стакан з водою опускаємо цинкову пластинку .
Так як абсолютно нерозчинних речовин немає цинк почне розчинятися, посилаючи свої іони у воду. Вода від цих іонів зарядиться позитивно, а залишок електронів зарядить пластину негативно.
Таким чином на межі метал – розчин утворюється подвійний електродний шар або різниця потенціалів, яка називається електродним потенціалом. Так як, частіше усього, електродами в промисловості бувають вугільні, то
Електродний потенціал – це різниця потенціалів між електродом і електролітом.
2. У стакан з розчином ZnSO4 опускаємо цинкову пластинку, де концентрація іонів цинку ( ) така, яку цинкова пластина дає при розчиненні. Наприклад, 5 іонів.
Як усякий метал цинк почне розчинятися. Іони з металу виходять у розчин і в ту саму мить іони з розчину осідають на пластину. Наступає динамічна рівновага між іонами . Одні з пластини переходять у розчин, другі – із розчину осідають на метал. В результаті утворюється подвійний електродний шар або різність потенціалів, яка дорівнює = 0, тобто пластинка не заряджується.
Такий потенціал, який утворюється при рівновазі іонів, називаєтьсярівноважним потенціалом.
3. У стакан з насиченим розчином ZnSO4 опускаємо цинкову пластину, де концентрація іонів дуже велика. В цьому випадку йде не тільки подавлення розчинення металу, а іони із розчину будуть осідати на пластинку, заряджуючи її позитивно (+). А кислотний залишок
) зарядить розчин негативно (
Таким чином, у першому випадку метал зарядили негативно ( ), у другому – не зарядили, у третьому – зарядили позитивно (+).
Виявляється, змінюючи концентрацію розчину можна зарядити метал по різному
Розбавляючи розчин водою (3 стакан), можна поміняти полярність металу + ,через 0, на
Добавляючи насичений розчин солі у стакан, також поміняється полярність – , через 0, на +.
Отже полярність металу залежить від концентрації розчину.
Електродний потенціал (абсолютний) виміряти неможливо по 2 причинам:
1. Від вольтметра один провідник можна підключити до електроду, а другий до розчину – ніяк, крім того він становиться електродом.
2. Ці два провідники мають опір, а тому показник вольтметру буде не вірний.
Визначення і вимірювання електродних потенціалів.
Ряд напруг металів
Так як виміряти абсолютне значення електродного потенціалу неможливо, його визначають по формулі Нернста.
0,059
Е0 Е0 lgCi nЕо - електродний потенціал.
Е0– стандартний електродний потенціал. n – валентність металу.
Сі – концентрація розчину.
Вимірюють електродний потенціал відносно водневого електрода (так як і атомну вагу, відносно вуглецевої одиниці, бо немає таких терезів, щоб зважили атом).
Водневий електрод представляє собою платинову пластинку, що вкрита рихлою
(губчастою) платиною. Ця пластинка опущена у 2 н розчин , з активністю іонів водню = 1 г іон/л. Крізь розчин пропускають водень під тиском в 1 ат.
Платинова пластинка, поглинаючи водень, веде себе так ніби–то вона зроблена із водню.
Різність потенціалів між “водневою” пластинкою і Н умовно приймають за 0.
Схема приладу для вимірювання стандартного (нормального) потенціала.
Різність потенціалів між металом опущеним у розчин своєї солі з концентрацією іонів металу 1 г*іон/л і водневим електродом називається стандартним (нормальним) електродним потенціалом.
Таким чином були виміряні електродні потенціали усіх металів, які створили ряд напруг металів:
Цей ряд представляє кількісну характеристику хімічних властивостей металів.
1. Чим нижча алгебраїчна величина електродного потенціалу, тим кращим відновником він являється. Тим більша його хімічна активність і навпаки.
2. Більш активний метал витісняє із солей менш активний.
. Метали, які знаходяться в ряду активності до водню, витісняють його із кислот.
. Метали, які знаходяться після водню можуть реагувати з кислотами, але не витіснятимуть його .
. У гальванічних елементах анодом зветься більш активний метал, тобто стандартний електродний потенціал якого має меншу алгебраїчну величину, а катодом навпаки.
Гальванічні елементи
Гальванічними елементами називаються такі елементи, у яких енергія окисновідновних реакцій перетворюється в електричну.
Щоб з‟ясувати, яким чином у гальванічних елементах хімічна енергія перетворюється у електричну, необхідно знати, які процеси протікають на окремих електродах.
Розглянемо роботу мідно – цинкового гальванічного елементу.
У реакції, де цинкова пластина реагує з електрони від цинку переходять до іонів міді.
2ē →
+ 2ē →
Цей перехід відбувається на дуже малій відстані (частки мілімікрон). При цьому хімічна енергія перетворюється в теплову.
Коли цю реакцію провести так, щоб окисно відновні процеси протікали окремо, тобто в різному посуді, з єднаних полупроникаючою перегородкою, а електроди провідником, тоді виникає електричний струм.
Перший гальванічний елемент був створений у 1800 р. італ. фізиком Вольтом. Удосконалили цей прилад російські учені Даніель і Якобі (1838 р.).
Схема мідно – цинкового гальванічного елемента.
Він складається із цинкової і мідної пластинок, занурених у розчин своїх солей: і . Розчини розділені один від одного пористою перегородкою із повсті.
У цинковому полуелементі, цинкова пластинка занурена у розчин своєї солі з концентрацією іонів цинку дуже малою. Цинк, як активний метал почне розчинятися, посилаючи свої іони у розчин. Розчин від цих іонів буде заряджатися позитивно, а залишок електронів зарядить пластину негативно. Цей процес швидко припиняється, бо позитивно заряджений розчин не буде пускати іони із металу, тобто буде їх відштовхувати на пластинку. Між ними встановлюється хімічна рівновага. Тобто, скільки іонів буде виходить із пластинки, стільки їх буде із розчину й осідати.
↔
У мідному полуелементі, мідна пластина опущена у розчин своєї солі, де концентрація іонів міді дуже висока. При цьому йде пригнічення розчинення пластинки і іони міді із розчину почнуть осідати на пластинку, заряджуючи її позитивно (+), а кислотний залишок зарядить розчин негативно ( ). Цей процес швидко припиняється тому, що пластинка зарядившись позитивно почне відштовхувати іони міді . Між ними встановиться рівновага.
+ 2 е ↔
Щоб елемент запрацював треба замкнути внутрішній і зовнішній ланцюги. Внутрішній ланцюг замикається безпосередньо іонами, які проникають крізь напівпроникну перегородку
Зовнішній ланцюг замикається металічним провідником. Електрони там, де їх
більшість (на цинковій пластині) по провіднику перейдуть туди, де їх не вистачає (на мідну пластинку).
Іони міді, які осідають на мідній пластині приймаючи ці електрони перетворюються у чисту мідь:
+ 2ē →
Таким чином у гальванічному елементі проходять ті самі реакції, що і у пробірці, але там енергія хімічної реакції перетворюється у теплову, а тут – у електричну. Це відбувається тому, що електрони рухаються на велику відстань.
Загальний процес, який відбувається в гальванічному елементі:
→
→
Як бачимо, електрони від цинкової пластини переходять до мідної.
Такий направлений рух електронів називається електричним струмом.
Але кожен повинен знати, що струм проходить у зворотному напрямі, тобто від мідної пластини до цинкової.
Умовний запис гальванічного елемента:
–
Електрорушійну силу (ЕРС) визначають: від електродного потенціалу окисника віднімають електродний потенціал відновника.
Е = Е –
ЕРС гальванічного елемента не залежить від розмірів електродів і кількості електроліту, а залежить від активності металу і концентрації електроліту.
Концентраційні елементи
У концентраційних елементах електроди та розчини однакові, але розчини у полуелементах мають різні концентрації.
