8.2.30. При растворении цинка в $\ce{H2SO4}$ выделяется $4,40\cdot10^{5}$ Дж/моль тепла, на выделение меди из $\ce{CuSO4}$ требуется затратить энергии $2,34\cdot10^{5}$ Дж/моль. Казалось бы, ЭДС элемента Даниэля можно рассчитать, приравнивая разность этих значений энергий протекшему заряду, умноженному на ЭДС. Вычислите ЭДС таким образом с точностью до 1 %. Однако истинное значение ЭДС оказывается большим (при нормальной температуре оно равно 1,09 В.). В чем дело? Откуда берется энергия?
Решение
Про гальванические элементсы в общем и про элемент Даниэля в частности рекомендую почитать Сивухина т.3 параграф 96. Схема элемента Даниэля показана на рисунке:
На поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой:
$$\ce{Zn}\leftrightarrow \ce{Zn^2+}+2e$$
На поверхности медной пластины также возникает двойной электрический слой:
$$\ce{Cu}\leftrightarrow \ce{Cu^2+}+2e$$
Полная реакция в элементе Даниэля имеет вид:
$$\ce{Zn}+\ce{CuSO4}\to \ce{Cu}+\ce{ZnSO4}$$
Энергия, выделяющаяся при замещении одного моля меди цинком:
С точностью до 1 % расчетное значение равно $\mathscr{E}= 1,07\text{ В}$.
Истинная ЭДС 1,09 В оказывается больше расчетной по той причине, что элемент Даниэля поглощает тепло из окружающей среды, превращая эту тепловую энергию в дополнительную электрическую работу.
Ответ
$\mathscr{E}=1,07\text{ В}$. Есть приток тепла от окружающей среды.