Эдс в химии это: 7.4. Химические источники тока

3.2.2. Уравнение Нернста для эдс гальванического элемента.

Электрической характеристикой электрода является потенциал, а гальванического элемента (электрохимической цепи) ‑ электродвижущая сила (ЭДС), равная алгебраической сумме скачков потенциала, возникающих на границе раздела фаз, входящих в состав цепи. ЭДС электрохимической цепи соответствует разности потенциалов правого (положительного) и левого (отрицательного) электродов и всегда положительна.

ЭДС гальванического элемента (I) равна:

(3.8)

где и– активности ионов Ag⁺ и Cu²⁺ в растворах их солей. Обозначим

, (3.9)

где Е^о – стандартная ЭДС гальванического элемента. Тогда

. (3.10)

Следует помнить, что активность чистого твердого вещества принимается равной единице. Уравнение (3.8) носит название уравнения Нернста для ЭДС гальванического элемента

.

Пусть в гальваническом элементе протекает обратимая химическая реакция

.

Максимальная полезная работа гальванического элемента при стандартных условиях равна

, (3.11)

где z – число электронов, участвующих в элетродных реакциях (одинаковое для обоих электродов), F – постоянная Фарадея.

По уравнению изотермы Вант-Гоффа

, (3.12)

или

. (3.13)

Следовательно,

. (3.14)

Уравнение Нернста в форме (3.14) применимо для расчета ЭДС любого гальванического элемента (по суммарной химической реакции) и потенциала любого электрода (по электродной реакции

ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ.

Можно с высокой точностью измерить ЭДС цепи, составленной из двух электродов. Однако нельзя ни измерить, ни вычислить абсолютную разность потенциалов φ на границе металл–раствор. Для практических целей достаточно иметь условные величины, характеризующие потенциалы различных электродов, отнесенные к потенциалу некоторого электрода, выбранного за стандартный.

В качестве условно-нулевого потенциала выбран потенциал стандартного водородного электрода:

,

в котором давление продуваемого водорода равно 1 атм, а активность ионов водорода в растворе равна 1 (рис. 7).

Электродная реакция

.

Рис. 7. Общий вид водородного электрода.

Потенциал стандартного водородного электрода равен

,

С учетом того, что , R = 8.314 Дж·моль^-1·К^-1, F = 96485 Кл·моль-экв^-1,и заменяя натуральный логарифм десятичным, получаем

.

Электродным потенциалом любого другого электрода называют его потенциал по отношению к стандартному водородному. Другими словами, за электродный потенциал принимают ЭДС цепи, составленной из рассматриваемого электрода и стандартного водородного электрода. При этом справа в цепи расположен рассматриваемый электрод, а слева – стандартный водородный электрод. ЭДС положительна (электродный потенциал положителен), если электрический ток внутри цепи течёт слева направо, и отрицательна – если наоборот.

Пример 3.1.

1) Составим гальванический элемент из платинового и медного электродов:

.

Суммарная токообразующая реакция: , т.е. перенос электронов в цепи происходит слева направо (от левого электрода к правому). При стандартных условиях () .

2) Составим гальванический элемент из платинового и цинкового эдектродов:

.

Суммарная реакция: , т.е. перенос электронов в цепи происходит справа налево. При стандартных условиях () .

Следует помнить, что ЭДС цепи всегда положительна, поэтому рассматриваемый гальванический элемент следует записать в следующем виде:

,

при стандартных условиях .

3.4. ТЕРМОДИНАМИКА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА.

Гальванический элемент при работе в условиях тепловой изоляции нагревается или охлаждается. Поэтому можно предположить, что источником совершаемой электрической работы являются тепловой эффект химической реакции и энергия окружающей среды.

Рассмотрим уравнение Гиббса-Гельмгольца в следующей форме:

, (3.15)

где ΔН и ΔS – тепловой эффект и энтропия химической реакции, протекающей в гальваническом элементе. Максимальная полезная работа электрохимической цепи равна убыли энергии Гиббса:

, (3.16)

. (3.17)

Тогда:

, (3.18)

, (3.19)

, (3.20)

, (3.21)

Следовательно,

, если ,

т.е. в этом случае вся электрическая работа цепи производится за счет теплового эффекта химической реакции. Если

, то ,

т. е. электрическая работа меньше теплового эффекта реакции. Гальванический элемент при изотермических условиях отдает теплоту в окружающую среду или нагревается в условиях тепловой изоляции. Если

, то ,

т. е. электрическая работа больше теплового эффекта реакции. Гальванический элемент при изотермических условиях поглощает теплоту из окружающей среды или охлаждается в условиях тепловой изоляции.

Измерение ЭДС обратимых гальванических элементов при различных температурах позволяет определить термодинамические характеристики химических реакций, протекающих в них, по уравнениям (3.16), (3.18) и (3.20).

3.5. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ.

Гальванические элементы классифицируют по двум признакам:

1. По характеру суммарного процесса, лежащего в основе действия гальванического элемента. Это или химическая реакция, или процесс выравнивания концентраций двух растворов одного и того же электролита. По этому признаку элементы делятся на химические и концентрационные.

1.1. Концентрационные цепи. Концентрационные электрохимические цепи состоят из электродов с одинаковыми потенциалопределяющими реакциями. Физические и химические свойства материала электродов одинаковы,

но активности одного (или нескольких) участников реакции на каждом из электродов различны. ЭДС цепи определяется отношением активностей (по уравнению Нернста):

, .

В уравнение Нернста для ЭДС цепи не входят стандартные электродные потенциалы, так как они одинаковы. По результатам измерений ЭДС такой цепи и известной активности компонента в одном электроде можно рассчитать активность компонента в другом электроде. Примером концентрационной цепи может служить следующий гальванический элемент (а₂ > a₁): .

1.2. Химические цепи. Химические цепи состоят из электродов, потенциалопределяющие реакции которых различны.

Электроды в таких системах отличаются и по физическим, и по химическим свойствам. Электрическая энергия возникает за счет энергии суммарной химической реакции, для которой справедливы ранее установленные соотношения между ЭДС и тепловым эффектом реакции, а также между стандартной ЭДС и константой равновесия реакции. Химические цепи разнообразны по природе и свойствам электродов, из которых они состоят. Примером такой цепи может служить серебряно-цинковый элемент: .

Чтобы решить вопрос о направлении суммарной химической реакции, протекающей в элементе, прежде всего следует определить полярности электродов. Катодом (положительно заряженным, правым) всегда является электрод с более положительным потенциалом. Так как

,

то в стандартных условиях серебряный электрод будет катодом, а цинковый электрод ‑ анодом. Стандартная ЭДС элемента равна

.

Уравнения потенциалопределяющих реакций:

, .

Суммарная реакция в цепи

электронейтральна (электродные реакции уравнены по числу электронов и участвующих в них веществ). ЭДС элемента по уравнению Нернста равна

.

Важным частным случаем химических цепей являются цепи, в которых хотя бы один из электродов является окислительно–восстановительным. Электрический ток в таких цепях возникает за счет реакций окисления и восстановления, протекающих в растворе. Примером такой цепи является цепь, составленная из стандартного водородного электрода и железного окислительно–восстановительного (редокс) электрода:

.

2. По наличию или отсутствию жидкостного соединения между двумя растворами гальванического элемента. По этому признаку элементы делят на цепи с переносом и цепи без переноса ионов.

2.1. Цепь с переносом – это цепь с жидкостной границей. Например, цепь вида

.

В состав цинкового и медного электродов входят растворы различной природы. Контакт между двумя растворами обеспечивается с помощью специальных приспособлений, например, солевым мостиком, состоящим из трубки, заполненной смесью влажного желеобразного вещества агар-агара с солью сильного электролита (КСl). Диффузионный потенциал на границе раздела раствор-раствор элиминирован.

2.2. Цепь без переноса – это цепь без жидкостной границы. Например, цепь вида

,

в которой оба электрода погружены в один и тот же раствор.

3.6. КЛАССИФИКАЦИЯ Обратимых ЭЛЕКТРОДОВ.

Классификация обратимых электродов основана на свойствах веществ, участвующих в потенциалопределяющих процессах.

3.6.1. Электроды первого рода.

Это металлические электроды, обратимые относительно катионов (в том числе амальгамные) и металлоидные, обратимые относительно анионов (например, Se^2-/Se). В таких электродах восстановленной формой является металл, а окисленной – ион этого металла.

Если электрод обратим относительно катиона, то

, .

Если электрод обратим относительно аниона, то

, .

К электродам первого рода относятся также газовые электроды (водородный, кислородный, хлорный). Они могут быть обратимы по отношению к катиону или аниону. Металл в газовых электродах необходим для создания электронопроводящего контакта между газом и раствором, должен быть инертен по отношению к веществам, находящимся в растворе, и способен катализировать только один потенциалопределяющий процесс. Например, водородный электрод обратим по отношению к катиону. Уравнение электродного процесса в кислой среде

может быть записано в упрощенном виде:

.

Потенциал водородного электрода определяется выражением

.

Примером газового электрода, обратимым по отношению к аниону, может быть хлорный электрод с потенциалопределяющей реакцией .

Измерение эдс химических источников тока и электродных потенциалов.

Для измерения э.д.с. гальванического элемента может использоваться высокоомный вольтметр (так называют вольтметр с большим внутренним сопротивлением). Благодаря большому сопротивлению такой вольтметр потребляет очень незначительный ток. Выше было указано, что при использовании тока гальванического элемента разность потенциалов между двумя электродами уменьшается. Вместо высокоомного вольметра для измерения э.д.с. можно использовать электрический мостик. В этом случае вообще не приходится использовать ток гальванического элемента. Скользящий контакт перемещают вдоль реостата до тех пор, пока стрелка гальванометра не укажет полного отсутствия тока (рис. 10.17). Если э.д.с. аккумулятора равна 2 В, то э.д.с. гальванического элемента при стандартных условиях определяется соотношением

Абсолютная разность потенциалов между электродом и раствором не поддается измерению. Чтобы понять это, допустим, что измерение э.д.с. проводится с помощью вольтметра. Тогда необходимо погрузить проволочку, присоединенную к вольтметру, в раствор. Но эта проволочка образует новый электрод, а вместе с раствором-новый полуэлемент. Поэтому можно измерить только разность потенциалов между двумя электродами. Однако, если известен электродный потенциал одного полуэлемента, можно вычислить электродный потенциал другого полуэлемента при помощи уравнения (10). Поскольку экспериментальное определение абсолютного электродного потенциала любого электрода невозможно, необходимо принять условное значение для потенциала какого-либо одного электрода и указывать потенциалы всех других электродов относительно этого условно выбранного значения. Как было указано выше, принято считать стандартный электродный потенциал водородного электрода (точнее говоря, водородного полуэлемента) равным нулю. Это позволяет измерить электродный потенциал любого полуэлемента, составляя с его помощью химический источник тока, в котором другим полуэлементом является водородный электрод (рис. 10.18).

Если водородный электрод играет роль отрицательного электрода, схематическая

запись составленного таким образом химического источника тока имеет вид Pl I Н2(г.) IH +(водн.) H Мг +

Таким образом, стандартный электродный потенциал рассматриваемого полуэлемента равен стандартной э.д.с. химического источника, состоящего из этого полуэлемента и стандартного водородного электрода.

Если водородный электрод играет роль положительного электрода, то

Водородный электрод называется первичным электродом сравнения.

 

Оглавление:

• часть 1 (Cтроение атома, Химическая связь)
• часть 2 (Газы, жидкости и твердые вещества, Стехиометрия, Энергетика)
• часть 3 (Фазовые равновесия, Химическое равновесие, Ионы, Химическая кинетика)
• часть 4 (Электрохимия)

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА, ЭДС (ЯЧЕЙКИ) (Разное)

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА, ЭДС (ЯЧЕЙКИ) (Разное) | ОСТИ. GOV

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другие родственные исследования

Напряжение или разность электрических потенциалов на клеммах ячейки, когда от нее не поступает ток. ЭДС ячейки представляет собой сумму разностей электрических потенциалов (PD), возникающих в результате разделения зарядов (электронов или ионов), которые могут возникать на каждой фазовой границе (или границе раздела) в ячейке. Величина каждого ЧР зависит от химической природы двух контактирующих фаз. Таким образом, на границе двух разных металлов часть электронов переместится из металла с более высокой свободной энергией электронов в металл с более низкой свободной энергией электронов. Результирующее разделение зарядов приведет к частичному разряду (точно так же, как разделение зарядов создает напряжение на конденсаторе), которое в равновесии точно препятствует дальнейшему потоку электронов. Точно так же ЧР могут возникать, когда электроны проходят через границу раздела металл/раствор или металл/твердое тело, а также когда ионы проходят через границу раздела раствор/мембрана/раствор.

Авторов:

Арчер, доктор медицины; Фельдберг, СЗ

Дата публикации:

16 сентября 1998 г.

Исследовательская организация:

Брукхейвенская национальная лаборатория. (BNL), Аптон, Нью-Йорк (США)

Организация-спонсор:

Управление энергетических исследований Министерства энергетики США (ER) (США)

Идентификатор ОСТИ:

760971

Номер(а) отчета:

БНЛ-65847; KC030101
Проект НИОКР: AS002CSD; КС030101; РНН: Ah300035%%46

Номер контракта с Министерством энергетики:  

АК02-98Ч20886

Тип ресурса:

Разное

Отношение ресурсов:

Прочая информация: PBD: 16 сентября 1998 г. ; Дополнительная информация: В: Энциклопедия науки и техники, vp.

Страна публикации:

США

Язык:

Английский

Тема:

37 НЕОРГАНИЧЕСКАЯ, ОРГАНИЧЕСКАЯ, ФИЗИЧЕСКАЯ И АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ; ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ; ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА; СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ; ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ ЯЧЕЙКИ; ЭЛЕКТРОННЫЙ ПЕРЕНОС

---

Форматы цитирования

• MLA
• АПА
• Чикаго
• БибТекс

Арчер, доктор медицины, и Фельдберг, SW. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА, ЭДС (ЭЛЕМЕНТЫ) . США: Н. П., 1998. Веб.

Копировать в буфер обмена

Арчер, доктор медицинских наук, и Фельдберг, С. В. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА, ЭДС (КЛЕТКИ) Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена

Арчер, доктор медицины, и Фельдберг, С.В., 1998. "ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА, ЭДС (КЛЕТКИ)". Соединенные Штаты. https://www.osti.gov/servlets/purl/760971.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_760971,
title = {ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА, ЭДС (КЛЕТКИ)},
автор = {Арчер, М. Д. и Фельдберг, С. В.},
abstractNote = {Напряжение или разность электрических потенциалов на клеммах ячейки, когда от нее не поступает ток. ЭДС ячейки представляет собой сумму разностей электрических потенциалов (PD), возникающих в результате разделения зарядов (электронов или ионов), которые могут возникать на каждой фазовой границе (или границе раздела) в ячейке. Величина каждого ЧР зависит от химической природы двух контактирующих фаз. Таким образом, на границе двух разных металлов часть электронов переместится из металла с более высокой свободной энергией электронов в металл с более низкой свободной энергией электронов. Результирующее разделение зарядов приведет к частичному разряду (точно так же, как разделение зарядов создает напряжение на конденсаторе), которое в равновесии точно препятствует дальнейшему потоку электронов. Точно так же ЧР могут возникать, когда электроны проходят через границу раздела металл/раствор или металл/твердое тело, а также когда ионы проходят через границу раздела раствор/мембрана/раствор.},
дои = {},
URL-адрес = {https://www.osti.gov/biblio/760971}, журнал = {},
номер =,
объем = ,
место = {США},
год = {1998},
месяц = ​​{9}
}

Копировать в буфер обмена

---

Посмотреть Разное (0,68 МБ)

Дополнительную информацию о получении полнотекстового документа см. в разделе «Доступность документа». Постоянные посетители библиотек могут искать в WorldCat библиотеки, в которых может храниться этот предмет.

---

Экспорт метаданных

Сохранить в моей библиотеке

Вы должны войти в систему или создать учетную запись, чтобы сохранять документы в своей библиотеке.

Аналогичных записей в сборниках OSTI.GOV:

• Аналогичные записи

ЭДС ячейки – определение, типы и потенциал электрода

Электрохимическая ячейка используется для выработки электричества в результате химической реакции. Его можно определить как устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую. Химическая реакция, которая включает обмен электронами, необходима для работы электрохимической ячейки. Такие реакции называются окислительно-восстановительными.

Ячейка характеризуется своим напряжением. Ячейка определенного типа генерирует одинаковое напряжение независимо от размера ячейки. Химический состав элемента зависит от напряжения элемента, если элемент работает в идеальных условиях. Напряжение ячейки может отличаться из-за нескольких факторов, таких как разница температур, изменение концентрации и т. д. 

Уравнение Нернста Вальтера Нернста можно использовать для расчета значения ЭДС данной ячейки, обеспечивая стандартный потенциал ячейки.

История 

Майкл Фарадей доказал, что химические реакции на каждой из двух границ раздела электрод-электролит обеспечивают «место ЭДС» для гальванического элемента около 1830 года. Эти реакции вызывают ток в цепи, которая представляет собой открытый корпус, разделение заряда продолжается до тех пор, пока электрическое поле от разделенных зарядов не станет достаточным для прекращения реакции.

Электродвижущая сила или ЭДС ячейки – это максимальная разность потенциалов между двумя электродами ячейки. Электродвижущая сила клетки также может быть определена как суммарное напряжение между полуреакциями окисления и восстановления. Электродвижущая сила элемента в основном используется для определения того, является ли электрохимический элемент гальваническим или нет.

 

Электрохимическая ячейка

Электрохимическая ячейка — это устройство, которое способно генерировать электрическую энергию в результате протекающей в нем химической реакции или использовать подаваемую к нему электрическую энергию для запуска в нем химической реакции. Эти устройства могут преобразовывать химическую энергию в электрическую и наоборот и используются для питания многих электрических устройств, таких как пульты дистанционного управления телевизором и часы.

Элементы, которые могут генерировать электрический ток в результате происходящих там химических реакций, называются гальваническими или гальваническими элементами.

Потенциал электрода 

Погружение металлического электрода в раствор, содержащий его ионы, создает разность потенциалов на границе раздела, которая называется потенциалом электрода.

Рассмотрим случай, когда цинковый электрод, погруженный в раствор сульфата цинка, окисляется путем испускания двух электронов и высвобождается в раствор. Наличие электронов в электроде и ионов в растворе создает разницу потенциалов. Точно так же медь также имеет положительный потенциал. Сочетание этих двух ячеек по ячейке Потенциал.

Чтобы определить Потенциал отдельной полуячейки, всегда нужна стандартная полуячейка, значение Потенциала которой уже известно. Затем соедините эту стандартную полуячейку с неизвестной полуячейкой, чтобы определить общий потенциал.

Этот общий Потенциал представляет собой разницу между Потенциалами двух половин ячеек. Стандартный водородный электрод (SHE) является примером такого стандартного полуэлемента. Потенциальное значение SHE, естественно, установлено равным нулю вольт. Подключите стандартный водородный электрод к неизвестному полуэлементу и измерьте разность потенциалов. Поскольку SHE равно нулю вольт, измеренное значение представляет собой неизвестную разность потенциалов полуэлемента.

 

ЭДС элемента

Максимальная разность потенциалов между двумя электродами элемента определяется как электродвижущая сила элемента или ЭДС элемента. Это также известно как результирующее напряжение между полуреакциями окисления и восстановления.

Типы гальванического элемента

1. Гальванический элемент

Гальванический элемент, также известный как гальванический элемент, представляет собой устройство, которое может генерировать электричество в результате спонтанной окислительно-восстановительной реакции. 9{2+} (водн.) + Cu(s)\]

Состоит из цинкового электрода и медного электрода, пропитанных раствором сульфата цинка и раствором сульфата меди соответственно. Цинковый электрод действует как анод, а медь действует как катод. В контейнере слева металлический цинковый стержень (анод) погружен в раствор сульфата цинка. В емкости справа медный стержень (катод) погружен в раствор медного купороса. Медный кабель соединяет цинковый электрод и медный электрод. Раствор в анодном и катодном отделениях соединен с раствором сульфата калия солевым мостиком. 9Ионы {2+}\] перемещаются из анодной полуячейки в катодную полуячейку. Цепь завершается переносом ионов из одной полуэлемента в другую, что гарантирует постоянную подачу питания. Ячейка будет продолжать работать до тех пор, пока не будут исчерпаны ионы металлического цинка или меди.

2. Daniel Cell

Не отличается от гальванического элемента. Это также тот же медно-цинковый элемент, который описан для гальванического элемента. Единственное ключевое отличие состоит в том, что ячейка Даниэля может использовать только цинк и медь в качестве электродов, тогда как для гальванических ячеек она не ограничивается только цинковыми и медными электродами, она может использовать различные металлы в качестве электродов.