Калькулятор ЭДС гальванического элемента

Гальванический элемент, названный в честь ученых Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта, соответственно, представляет собой электрохимический элемент, в котором электрический ток генерируется в результате спонтанных окислительно-восстановительных реакций. Обычное устройство обычно состоит из двух разных металлов, каждый из которых погружен в отдельные стаканы, содержащие соответствующие ионы металлов в растворе, которые соединены солевым мостиком (или разделены пористой мембраной).

Калькулятор ЭДС гальванического элемента – это простой инструмент, который предоставляет вам значение электродвижущей силы (EMF) для любой гальванической ячейки с заданным потенциалом электродов. Если вы немного запутались со всеми этими терминами, не волнуйтесь!

В статье ниже вы найдете краткое описание того, что такое ЭДС, как рассчитать ЭДС и примеры источников электродвижущей силы. Более того, мы подготовили объяснение окислительно-восстановительной реакции и гальванического элемента. Краткое пошаговое руководство демонстрирует использование калькулятора.

Что такое ЭДС?

ЭДС – это сокращение от электродвижущей силы. По определению, ЭДС – это сила или электрическое давление, которое генерирует ток в цепи. Единицы ЭДС в вольтах [В].

Чтобы лучше понять это определение, рассмотрим типичную гальваническую ячейку, состоящую из двух электродов. Электродвижущая сила – это разность потенциалов между ними.

Кроме того, электродвижущая сила гальванического элемента определяет способность электрохимического элемента вызывать поток электронов через электрическую цепь.

Уравнение ЭДС

Электродвижущая сила электрохимической ячейки может быть рассчитана с использованием уравнения:

EMFcell [V] = Ecathode [V] – Eanode [V]

где Ecathode – это потенциал катода (в вольтах), а Eanode – это потенциал анода (в вольтах). Помните, что в ячейке потенциал катода выше, чем потенциал анода.

Электропотенциал анода и катода

Если вы хотите найти потенциал металлического электрода, один из способов – проверить гальванический ряд и найти конкретный металл в таблице. Второй способ – рассчитать его, используя уравнение Нерста, также известное как уравнение потенциала ячейки. Эта формула позволяет рассчитать восстановительный потенциал полуклеточной или полной клеточной реакции.

В таблице ниже вы можете найти электропотенциал металлов:

Стандартные электродные потенциалы металлов при 25 °С

Электрод


Электродная реакция


Потенциалы Е°, В


Li / Li+


Li+ + e-= Li


-3,045


Rb / Rb+


Rb+ + e-= Rb


-2,925


K / K+


K+ + e-= K


-2,924


Cs / Cs+


Cs+ + e-= Cs


-2,923


Ba / Ba2+


Ba2+ + 2e-= Ba


-2,905


Sr / Sr2+


Sr2+ + 2e-= Sr


-2,888


Ca / Ca2+


Ca2+ + 2e-= Ca


-2,866


Na / Na+


Na+ + e-= Na


-2,714


Mg / Mg2+


Mg2+ + 2e-= Mg


-2,363


Sc / Sc3+


Sc3+ +3e-= Sc


-2,077


Be / Be2+


Be2+ + 2e-= Be


-1,847


Al / Al3+


Al3+ + 3e-= Al


-1,660


Mn / Mn2+


Mn2+ + 2e-= Mn


-1,179


Cr / Cr2+


Cr2+ + 2e-= Cr


-0,913


Zn / Zn2+


Zn2+ + 2e-= Zn


-0,760


Fe / Fe2+


Fe2+ + 2e-= Fe


-0,440


Cd / Cd2+


Cd2+ + 2e-= Cd


-0,400


Co / Co2+


Co2+ + 2e-= Co


-0,277


Ni / Ni2+


Ni2+ + 2e-= Ni


-0,250


Sn / Sn2+


Sn2+ + 2e-= Sn


-0,136


Pb / Pb2+


Pb2+ + 2e-= Pb


-0,126


H2 / H+


2H+ + 2e-= H2


 0,000


Sb / Sb3+


Sb3+ + 3e-= Sb


+0,2


Bi / Bi3+


Bi3+ + 3e-= Bi


+0,23


Cu / Cu2+


Cu2+ + 2e-= Cu


+0,337


Hg / Hg+


Hg+ + 1e-= Hg


+0,788


Ag / Ag+


Ag+ + e-= Ag


+0,799


Pd / Pd2+


Pd2+ 2e-= Pd


+0,987


Pt / Pt2+


Pt2+ + 2e-= Pt


+1,188


Au / Au+


Au+ + e-= Au


+1,692


Как рассчитать ЭДС?

Взгляните на пример расчета ЭДС ниже.

Давайте рассмотрим ячейку Даниэля – простую электрохимическую ячейку, изобретенную в 1836 году Джоном Фредериком Даниэлем (британский химик и метеоролог). В этой ячейке медь погружается в раствор сульфата меди (II), а цинк – в раствор сульфата цинка.

Схема ячейки: (-) Zn | Zn2 + || Cu2 + | Cu (+)

Проверьте потенциал металла: электродный потенциал цинка составляет -0,76 В, а меди – +0,34 В ⇒ из-за более низкого потенциала цинк является анодом, а медь – катодом. Введите эти значения в наш калькулятор.

Рассчитайте значение ЭДС электрохимической ячейки, используя уравнение:
EMFcell = +0,34 В – (-0,76 В) = 1,10 В

Электродвижущая сила ячейки Даниэля равна 1,10 вольт.

Источники электродвижущей силы

Ниже вы можете найти несколько примеров источников ЭМП:

  • батареи
  • генераторы переменного тока
  • гальванические элементы
  • солнечные батареи
  • топливные элементы
  • термопары
  • некоторые живые организмы (например, электрический угорь)

Каждый из перечисленных выше источников ЭДС содержит источник энергии, который вызывает поток электрических зарядов. Этими источниками могут быть химические процессы (в батареях, топливе и гальванических элементах), механические силы (в генераторах), электромагнитное излучение, излучаемое Солнцем (в солнечных элементах) и разность температур (в термопарах).

Типы электрохимических ячеек

Электрохимическая ячейка является одним из видов источников энергии. Его можно создать, поместив металлические электроды в электролит, где химическая реакция генерирует или использует электрический ток.

Электрохимические элементы, которые генерируют электрический ток, называются гальваническими элементами (названными в честь их изобретателя, итальянского физика Алессандро Вольта) или гальваническими элементами (названными в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани).

Обычные батареи состоят из одного или нескольких таких элементов. В других электрохимических элементах электрический ток, подаваемый извне, используется для запуска химической реакции (которая не должна происходить самопроизвольно).

Окислительно-восстановительная реакция

Процессы восстановления и окисления происходят только вместе (невозможно, чтобы эти реакции происходили отдельно). Вот почему окислительно-восстановительные реакции могут быть описаны как две полуреакции, одна представляет процесс окисления, а другая – процесс восстановления. Давайте посмотрим на это на примере ячейки Даниэля.

В ячейке Даниэля медь погружается в раствор сульфата меди (II), а цинк – в раствор сульфата цинка. В этой ячейке цинк действует как анод (из-за более низкого электрического потенциала), а медь действует как катод (из-за более высокого электропотенциала):

E⁰ цинкового электрода = -0,76 В
E⁰ медного электрода = +0,34 В
Общая химическая реакция Даниэля: Zn (s) + Cu2⁺ (aq) → Zn²⁺ (aq) + Cu (s)

Окисление (на аноде): Zn (s) → Zn²⁺ (aq) + 2e⁻

Восстановление (на катоде): Cu2⁺ (aq) + 2e⁻ → Cu (s)

Количество электронов, потерянных восстановителем, равно числу электронов, полученных окислителем (для любой окислительно-восстановительной реакции).