Печать
Опубликовано: 11 сентября 2014 11 сентября 2014
Просмотров: 9052 9052

 В электрохимической ячейке (гальваническом элементе) электроны, остающиеся после образования ионов, удаляются через металлический провод и рекомбинируют с ионами другого вида. Т.е.заряд во внешней цепи переносится электронами, а внутри ячейки, через электролит, в который погружены металлические электроды, ионами. Таким образом получается замкнутая электрическая цепь.

 Разность потенциалов, измеряемая в электрохимической ячейке, oбъясняется различием в способности каждого из металлов отдавать электроны. Каждый электрод имеет собственный потенциал, каждая система электрод-электролит представляет собой полуэлемент, а любые два полуэлемента образуют электрохимическую ячейку. Потенциал одного электрода называют потенциалом полуэлемента, он определят способность электрода отдавать электроны. Очевидно, что потенциал каждого полуэлемента не зависит от наличия другого полуэлемента и его потенциала. Потенциал полуэлемента определяется концентрацией ионов в электролите и температурой.

В качестве «нулевого» полуэлемента был выбран водород, т.е. считается, что для него при добавлении или удалении электрона с образованием иона никакой работы не совершается. «Нулевое» значение потенциала необходимо для понимания относительной способности каждого из двух полуэлементов ячейки отдавать и принимать электроны.

Потенциалы полуэлементов, измеряемые относительно водородного электрода, называются водородной шкалой. Если термодинамическая склонность отдавать электроны в одной половине электрохимической ячейки выше, чем в другой, то потенциал первою полуэлемента выше, чем потенциал второго. Под действием разности потенциалов будет происходить переток электронов. При сочетании двух металлов можно выяснить возникающую между ними разность потенциалов и направление потока электронов.

Электроположительный металл обладает более высокой способностью принимать электроны, поэтому он будет катодным или благородным. С другой стороны находятся электроотрицательные металлы, которые способны самопроизвольно отдавать электроны. Эти металлы являются реакционноспособными, а, следовательно, анодными:

 

-                                     0                +

Al  Mn Zn  Fe  Sn  Pb  H2  Cu  Ag  Au


Например,
Cu отдает электроны легче Ag, но хуже Fe. В присутствии медного электрода ноны серебра начнут соединяться с электронами, приводя к образованию ионов меди и осаждению металлического серебра:

2Ag+ + CuCu2+ + 2Ag

Однако та же самая медь менее реакционноспособна, чем железо. При контакте металлического железа с нонами меди та будет осаждаться, а железо переходить в раствор:

Fe+ Cu2+Fe2+ + Cu.

Можно говорить, что медь является катодным металлом относительно железа и анодным - относительно серебра.

Стандартным электродным потенциалом считается потенциал полуэлемента из полностью отожженого чистого металла в качестве электрода в контакте с ионами при 250С. В этих измерениях водородный электрод выступает в роли электрода сравнения. В случае двухвалентного металла можно записать реакцию, протекающую в соответствующей электро-химической ячейке:

М + 2Н+ М2+ + Н2.

 

Если упорядочить металлы по убыванию их стандартных электродных потенциалов, то получается так называемый электрохимический ряд напряжений металлов (табл. 1).

Таблица 1. Электрохимический ряд напряжений металлов

 

Равновесие металл-ионы (единичной активности)

Электродный потенциал относительно водородного электрода при 25°С, В (восстановительный потенциал)

Благородные

или катодные

Au-Au3+

+ 1,498

Pt-Pt2+

+ 1,2

Pd-Pd2+

+0,987

Ag-Ag+

+0,799

Hg-Hg2+

+0,788

Cu-Cu2+

+0,337

Н2+

0

Pb-Pb2+

-0,126

Sn-Sn2+

-0,140

Ni-Ni2+

-0,236

Co-Co2+

-0,250

Cd-Cd2+

-0,403

Fe-Fe2+

-0,444

Cr-Cr2+

-0,744

Zn-Zn2+

-0,763

Активные
или анодные

Al-Al2+

-1,662

Mg-Mg2+

-2,363

Na-Na+

-2,714

K-K+

-2,925

 

 

Например, в гальваническом элементе медь-цинк возникает поток электронов от цинка к меди. Медный электрод является в этой схеме положительным полюсом, а цинковый - отрицательным. Более реакционноспособный цинк теряет электроны:

ZnZn2+ + 2е-; E°=+0,763 В.

Медь же является менее реакционноспособной и принимает электроны от цинка:

Cu2+ + 2е-Cu; E°=+0,337 В.

Напряжение на соединяющем электроды металлическом проводе составит:

0,763 В + 0,337 В = 1,1 В.

 

Таблица 2. Стационарные потенциалы некоторых металлов и сплавов в морской воде по отношению к нормальному водородному электроду (ГОСТ 9.005-72).

Металл

Стационарный потенциал, В

Металл

Стационарный потенциал, В

Магний

-1,45

Никель (активное coстояние)

-0,12

Магниевый сплав (6 % Аl, 3 % Zn, 0,5 % Mn)

-1,20

Медные сплавы ЛМцЖ-55 3-1

-0,12

Цинк

-0,80

Латунь (30 % Zn)

-0,11

Алюминиевый сплав (10 % Mn)

-0,74

Бронза (5-10 % Al)

-0,10

Алюминиевый сплав (10 % Zn)

-0,70

Томпак (5-10 % Zn)

-0,08

Алюминиевый сплав К48-1

-0,660

Медь

-0,08

Алюминиевый сплав В48-4

-0,650

Купроникель (30 % Ni)

-0,02

Алюминиевый сплав АМг5

-0,550

Бронза «Нева»

+0,01

Алюминиевый сплав АМг61

-0,540

Бронза Бр. АЖН 9-4-4

+0,02

Алюминий

-0,53

Нержавеющая сталь Х13 (пассивное состояние)

+0,03

Кадмий

-0,52

Никель (пассивное состояние)

+0,05

Дюралюминий и алюминиевый сплав АМг6

-0,50

Нержавеющая сталь Х17 (пассивное состояние)

+0,10

Железо

-0,50

Титан технический

+0,10

Сталь 45Г17Ю3

-0,47

Серебро

+0,12

Сталь Ст4С

-0,46

Нержавеющая сталь 1Х14НД

+0,12

Сталь СХЛ4

-0,45

Титан йодистый

+0,15

Сталь типа АК и углеродистая сталь

-0,40

Нержавеющая сталь Х18Н9 (пассивное состояние) и ОХ17Н7Ю

+0,17

Серый чугун

-0,36

Монель-металл

+0,17

Нержавеющие стали Х13 и Х17 (активное состояние)

-0,32

Нержавеющая сталь Х18Н12М3 (пассивное состояние)

+0,20

Никельмедистый чугун (12-15 % Ni, 5-7 % Си)

-0,30

Нержавеющая сталь Х18Н10Т

+0,25

Свинец

-0,30

Платина

+0,40

Олово

-0,25

   

Примечание. Указанные числовые значения потенциалов н порядок металлов в ряду могут изменяться в различной степени в зависимости от чистоты металлов, состава морской воды, степени аэрации и состояния поверхности металлов.