Симулятор гальванического элемента и электролиза
Уравнения этой модели
| E° | стандартный электродный потенциал | измерен относительно водорода при 1 моль/л и 25 °C; металл с меньшим E° отдаёт электроны и служит анодом | |
|---|---|---|---|
| E°cell | стандартный потенциал элемента | напряжение при обоих растворах 1 моль/л; положительное значение означает, что элемент работает сам |
При текущих значениях:
| n | число переданных электронов | 2 для цинка и меди | |
|---|---|---|---|
| F | постоянная Фарадея | 96 485 Кл на моль электронов | |
| Q | коэффициент реакции | [ион у анода] ÷ [ион у катода], каждый в степени своей доли n; по мере работы элемента Q растёт, а E падает, пока элемент не разрядится | |
| E | потенциал элемента сейчас | что показывает вольтметр без отбора тока |
При текущих значениях:
| ΔG | энергия Гиббса реакции в элементе | отрицательная для элемента, работающего сам по себе; −212 кДж/моль для элемента Даниэля |
|---|
При текущих значениях:
| I | ток | r = 5 Ом — собственное сопротивление элемента | |
|---|---|---|---|
| моли | металл растворился или осел | закон Фарадея: каждому молю иона 2+ нужно два моля электронов |
При текущих значениях:
| Q | прошедший заряд | I × t; источник должен давать не меньше 1,23 В плюс ещё около 0,6 В, чтобы продвигать реакции | |
|---|---|---|---|
| V | объём каждого газа | при 25 °C и 1 атм 24,5 л на моль: водорода вдвое больше, чем кислорода |
При текущих значениях:
Как пользоваться симулятором гальванического элемента и электролиза
- В гальваническом элементе выберите металл для каждой стороны, каждый в растворе своих ионов, соединённые проводом и солевым мостиком. Металл с меньшим стандартным потенциалом — анод: он растворяется, отдавая электроны, которые бегут по проводу к другому электроду, где их принимают ионы металла и осаждаются. Прибор показывает ЭДС элемента. Синие точки в проводе — электроны: они движутся быстрее при большем токе, и чем больше точка, тем выше напряжение в этом месте.
- Меняйте концентрации, чтобы увидеть, как уравнение Нернста сдвигает напряжение, и уменьшайте сопротивление нагрузки, чтобы брать больший ток. Запустите элемент и смотрите, как анод истончается, катод утолщается, а с медью синий раствор бледнеет, пока напряжение медленно падает; графики следят за этим. Калькулятор уравнения Нернста находит потенциал полуэлемента при любой концентрации.
- Переключитесь на электролиз воды и задайте напряжение источника. Выше примерно 1,8 В ток разлагает воду: водород собирается над отрицательным электродом, кислород — над положительным, и водорода вдвое больше, как предсказывают законы Фарадея по прошедшему заряду.
Частые вопросы
Как гальванический элемент вырабатывает электричество?
Два металла удерживают свои электроны с разной силой, которую измеряют стандартные электродные потенциалы. Цинк (−0,76 В) отдаёт электроны охотнее меди (+0,34 В), поэтому в элементе Даниэля атомы цинка растворяются как Zn²⁺, электроны текут по проводу, а ионы Cu²⁺ принимают их на медном электроде. Солевой мостик позволяет ионам перемещаться между стаканами, сохраняя оба раствора нейтральными; без него ток сразу прекращается.
Как рассчитать ЭДС элемента?
E°элемента = E°катода − E°анода при обоих растворах 1 моль/л: 0,34 − (−0,76) = 1,10 В для цинка и меди. При других концентрациях её корректирует уравнение Нернста: E = E° − (RT ÷ nF) ln Q, где Q = [Zn²⁺] ÷ [Cu²⁺]. В десять раз больше ионов цинка, чем меди, снижают напряжение примерно на 30 мВ.
Что такое закон электролиза Фарадея?
Количество вещества, образующегося или расходуемого на электроде, пропорционально прошедшему заряду: моли = Q ÷ (zF), где Q = I × t, z — число электронов на ион, а F = 96 485 Кл/моль. Для разложения воды нужно 2 электрона на молекулу водорода и 4 на молекулу кислорода, поэтому водорода собирается ровно вдвое больше.
Почему для электролиза воды нужно больше 1,23 В?
1,23 В — термодинамический минимум, ЭДС реакции, идущей в обратную сторону. На практике электродным реакциям нужен дополнительный толчок — перенапряжение, а у раствора есть сопротивление, поэтому реальные ячейки работают при 1,8–2,5 В. Чистая вода почти не проводит ток, поэтому добавляют электролит, например сульфат натрия; он переносит ток, не расходуясь.
Пишет, что WebGL выключен.
Для 3D-вида нужен WebGL, который есть во всех современных браузерах. Он может быть выключен, если в настройках браузера отключено аппаратное ускорение или графический драйвер очень старый. Включите аппаратное ускорение или попробуйте другой браузер.
Загружается ли что-нибудь?
Нет. Симуляцию рисует ваш собственный браузер с помощью WebGL; ничего никуда не отправляется, и после загрузки страницы она работает и офлайн.