Условие задачи

Составьте схему гальванического элемента, состоящего из цинкового и медного электродов (элемент Даниэля-Якоби), погруженных в 1 M растворы их солей. Определите ЭДС этого гальванического элемента.

Решение

Ниже приведён подробный разбор задачи по электрохимии (теория гальванических элементов).

─────────────────────────────
1. Схема гальванического элемента

Схема элемента Даниэля–Якоби выглядит следующим образом:

[Zn] │ 1 M ZnSO₄ ∥ 1 M CuSO₄ │ [Cu]

где:
• Левая полупячейка содержит цинковый электрод, погружённый в 1-молярный раствор сульфата цинка (ZnSO₄).
• Правая полупячейка содержит медный электрод, погружённый в 1-молярный раствор сульфата меди (CuSO₄).
• Знак «∥» обозначает солевой мостик, соединяющий обе полупячейки и обеспечивающий перенос ионов для сохранения электрической нейтральности.
• Линия «│» обозначает фазовую границу: металл/раствор.

─────────────────────────────
2. Направление токов и полуреакции

В гальваническом элементе происходит окислительно-восстановительная реакция, где:

А) На аноде (левая полупячейка, цинк) происходит окисление металла:
Цинковый электрод (Zn) отдает электроны:
Zn → Zn²⁺ + 2e⁻

Б) На катоде (правая полупячейка, медь) происходит восстановление ионов:
Медные ионы принимают электроны и осаждаются в виде металлической меди:
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

Общая реакция гальванического элемента:
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

При этом электроны перетекают от анода к катоду через внешний проводник.

─────────────────────────────
3. Определение стандартных электродных потенциалов

Из таблицы стандартных электродных потенциалов:
• Потенциал полуреакции восстановления для меди:
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu E° = +0.34 В
• Потенциал полуреакции восстановления для цинка:
Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn E° = –0.76 В

Так как цинк в элементе окисляется, его полуреакция записывается в обратном направлении, но при расчёте ЭДС используется разность стандартных потенциалов.

─────────────────────────────
4. Расчёт ЭДС гальванического элемента

ЭДС (электродвижущая сила) элемента определяется по формуле:
E°_элемента = E°_катода – E°_анода

Подставляем значения:
E°_элемента = (+0.34 В) – (–0.76 В) = +1.10 В

Таким образом, при стандартных условиях (концентрация 1 М) ЭДС гальванического элемента равна 1.10 В.

─────────────────────────────
5. Ответ

Схема гальванического элемента:
[Zn] │ 1 M ZnSO₄ ∥ 1 M CuSO₄ │ [Cu]

При этом полуреакции:
На аноде: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
На катоде: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

Общая реакция:
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

ЭДС элемента равна:
E° = +1.10 В

─────────────────────────────
Вывод: Задача относится к разделу электрохимии, в частности к анализу гальванических элементов (действующих на основе окислительно-восстановительных процессов). Мы составили схему элемента Даниэля–Якоби, определили направления полуреакций, рассчитали разность потенциалов и получили значение ЭДС равное 1.10 В.