Гальванические элементы как источники электрического тока

Электродвижущие силы и электродные потенциалы

Взаимное превращение электрической и химической энергии происходит в электрохимических системах, состоящих из:

– проводников II рода (веществ, обладающих ионной проводимостью, т.е. электролитов);

– проводников I рода (веществ, обладающих электронной проводимостью, т.е. металлов), находящихся в контакте с электролитом.

Такие системы называется электродами.

При переходе заряженных частиц (ионы, электроны) через границу раздела фаз, например, раствор электролита – металл возникает электрохимическая реакция. В результате этого металл и раствор приобретают электрический заряд, и на границе раздела фаз образуется двойной электрический слой, которому соответствует скачок потенциала.

Электродные процессы представляют собой окислительно-восстановительные реакции:

Ох + ze^– Û Red.

Различают обратимые и необратимые электроды. При перемене направления электрического тока на обратимых электродах протекают реакции, противоположные по направлению, а на необратимых – не обратные друг другу. Из обратимых электродов могут быть составлены обратимые электрохимические цепи (гальванические элементы).

Электрической характеристикой электрода является потенциал, а электрохимической цепи – электродвижущая сила (ЭДС), равная разности скачков потенциала, возникающих на границе раздела фаз электродов, входящих в состав цепи.

Устройство, в котором химическая энергия преобразуется в электрическую, называется гальваническим элементом.

Примером гальванического элемента служит элемент Даниэля-Якоби, который состоит из цинкового и медного электродов, находящихся в замкнутой электрической цепи. Цинковый электрод состоит из цинковой пластины, опущенной в раствор ZnSO₄. Медный электрод – медная пластина, погруженная в раствор CuSO₄. Растворы отделены друг от друга пористой перегородкой, через которую из одного раствора в другой проникают ионы (внутренняя цепь).

При работе гальванического элемента на цинковом электроде происходит реакция окисления (цинковая пластина растворяется):

Zn – 2e^–® Zn²⁺.

Электроны по внешней цепи (1) перемещаются от цинкового электрода к медному. Избыток электронов придает пластине отрицательный заряд. На медном электроде идет реакция восстановления ионов меди (медь осаждается на пластине). Медная пластина заряжается положительно и масса ее увеличивается. По внутренней цепи (2) перемещаются ионы. Процессы, протекающие в гальваническом элементе, описываются суммарной реакцией:

Zn + Cu²⁺ D Zn²⁺ + Cu.

Если во внешнюю цепь включить гальванометр, то он покажет величину тока, который протекает в цепи. Ток в гальваническом элементе протекает в результате возникновения разности потенциалов (ЭДС) между цинковым и медным электродами. Величина ЭДС определяется скачками потенциалов на границе раздела металл – раствор его соли, а также диффузионным потенциалом, возникающим на границе контакта двух растворов.

Диффузионный потенциал обусловлен различной подвижностью ионов, перемещающихся через перегородку. Наличие диффузионного потенциала снижает точность измерений, и его стараются устранить. Для этого на границе двух растворов помещают солевой мостик, заполненный концентрированным раствором KCl или NH₄NO₃. В этом случае диффузионный потенциал на границе между солевым мостиком и раствором определяется диффузией ионов К⁺, Cl^- или NH₄⁺, NO₃^–. Уменьшение диффузионного потенциала объясняется близкими подвижностями и числами переноса ионов указанных солей.

Устройство гальванического элемента изображают условно:

(–) Zn/ZnSO₄//CuSO₄/Cu (+).

Ме раствор раствор Ме

Принято слева записывать электрод, на котором идет реакция окисления (отрицательный электрод), а справа электрод, на котором идет реакция восстановления (положительный электрод). Одна вертикальная линия указывает, на то, что между фазами имеется контакт, а две линии означают, что прямого контакта между фазами нет, т.е. растворы соединены электролитическим мостиком.

Дата добавления: 2013-12-11