Гальванический элемент

Гальванический элемент — это прибор, который преобразует химическую энергию в электрическую.

Схема простейшего гальванического элемента Даниэ­ля представлена на рис. 35.

Схематическое изображение медно-цинкового эле­мента Zn°|Zn²⁺||Cu²⁺|Cu°. В такой записи одной чертой обозначается двойной электрический слой (см. рис. 36), которому соответствует электродный потенциал, а двой­ной чертой — электролитический ключ.

Гальванический элемент состоит из двух электро­дов, каждый из которых опущен в сосуд с соответствую­щим раствором соли: цинковый электрод погружён в раствор соли ZnSО₄, а медный электрод — в раствор CuSО₄. Сосуды соединены электролитическим мости­ком, заполненным концентрированным раствором элек­тролита (например, NaCl, NH₄NО₃ или KNО₃), который служит ионным проводником между двумя сосудами.

Если электроды (Zn и Сu) соединить металлической проволокой, то электроны с Zn-электрода будут пере­ходить к Cu-электроду и в цепи появится электричес­кий ток, который можно зарегистрировать вольтмет­ром. Суммарное уравнение реакции, идущей в элементе: Zn° + Cu²⁺ = Cu° + Zn²⁺. Электроны от анода (Zn), который является восстановителем и заряжен отрица­тельно, по внешней цепи переходят к катоду (Си), который является окислителем и заряжен положитель­но. На электродах идут электрохимические процессы (Zn° - 2e = Zn²⁺ и Сu²⁺ + 2e = Сu⁰), и в растворе наблюдается направленное движение ионов.

Таким образом, в гальваническом элементе электри­ческий ток возникает за счет окислительно-восстанови­тельной реакции, и поэтому в принципе любая окисли­тельно-восстановительная реакция может служить источником электрического тока, если она протекает в гальваническом элементе (см. рис. 35).

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического эле­мента (Е_а) равна алгебраической сумме электродных потенциалов реакции окисления и реакции восстановления:

Е°_э — стандартная ЭДС элемента,

Е°_к — стандартный электродный потенциал катода,

Е_а° — стандартный электродный потенциал анода.

Для медно-цинкового элемента ЭДС при стандарт­ных условиях (Е_э) равна 1,1 В:

К гальваническим элементам (ГЭ) относятся элемент Даниэля-Якоби, элемент Вестона и аккумуляторы. Галь­ванический элемент Вестона используют как источник эталонного напряжения при измерении ЭДС гальвани­ческих элементов. Аккумуляторы предназначены для многократного использования и состоят из нескольких ГЭ, соединен­ных последовательно или параллельно. Наиболее рас­пространенными аккумуляторами являются свинцовые Pb|H₂S0₄||Pb0₂|Pb, железо-никелевые Fe|KOH||NiOOH|Ni и кадмий-никелевые Cd|KOH||NiOOH|Ni (вертикальные черточки обозначают границы между электродами и электролитами). В свинцовых кислотных аккумулято­рах положительным полюсом является электрод из РЬ0₂ (в виде пасты, наполняет ячейки свинцовой решётки), отрицательным полюсом служит свинцовый электрод, а электролитом — 20-30%-й водный раствор серной кислоты.

Процесс генерирования тока (разрядка аккумулято­ра) в свинцовом аккумуляторе можно выразить уравне­нием реакции, идущей справа налево (разрядка акку­мулятора): При зарядке аккумулятора реакция идет в обратном направлении. На отрицательном полюсе: РЬ = РЬ²⁺ + 2е; образующиеся ионы РЬ²⁺ осаждаются на аноде в виде PbS0₄. На положительном полюсе: РЬ0₂ + 4Н⁺ + 2е=РЬ²⁺ + 2Н₂0; образующиеся ионы РЬ²⁺ осаждаются на катоде в виде PbS0₄. О степени разрядки аккумулятора судят по концентрации H₂S0₄, замеряя ее плотность.

В щелочном аккумуляторе отрицательным полюсом служит железная или кадмиевая пластина, положительный полюс изготовлен из никеля, заполненного Ni₂0₃, а в качестве электролита используется 20% -й раствор КОН.

Дата добавления: 2014-01-20