Хімічні джерела електричної енергії

В окисно-відновних реакціях електрони безпосередньо переходять від відновника до окисника. Однак, якщо процеси окиснення і відновлення просторово розділити, а електрони направити по металічному провіднику, то така система буде являти собою гальванічний елемент.

Отже, гальванiчними елементами називають пристрої, в яких хiмiчна енергiя окисно-вiдновної реакцiї перетворюється в елек­тричну.

Рис. 32. Схема роботи мідно-цинкового гальванічного елементу

Гальванiчний елемент складається з двох електродiв, за­нурених в розчини (або розплави) електролiтiв. На межi кожного електрода з розчином електролiта iснує електродний потенцiал. Потенцiали електродiв неоднаковi, саме тому при з’єднаннi їх провiдником по ньому протiкає електричний струм. Розглянемо мiдно-цинковий гальванiчний елемент, або елемент Даніеля-Якобі (рис.32).

Платівки з міді і цинку з’єднані провідником і занурені в розчини відповідних солей: купрум(ІІ) сульфату і цинк сульфату. Півелементи знаходяться в одній посудині або розділені пористою перетинкою.

На цинковому електроді, зануреному в розчин солі ZnSO₄, відбувається окиснення атомів цинку:

Електрони по зовнішньому колу рухаються від цинку до міді.

На мідному електроді, зануреному в розчин CuSO₄, відбувається відновлення йонів Cu²⁺ в атоми, які осаджуються на електроді:

Одночасно частина йонів SO₄^2- переходить з посудини з CuSO₄ через пористу перетинку в посудину з розчином ZnSO₄. В результаті рідина біля обох електродів залишається електро-нейтральною.

Сумарне рівняння процесу одержимо, додавши обидва рівняння:

або в молекулярній формі:

Електрод, на якому відбувається процес окиснення, називається анодом, а електрод, на якому відбувається процес відновлення – катодом.

Анод – від’ємний електрод. Катод – додатній.

Гальванічні елементи можна зображати схемами, наприклад, елемент Даніеля-Якобі можна зобразити так:

,

де одна вертикальна лінія означає межу між електродом і розчином, дві вертикальні лінії – межу між розчинами, в дужках – знаки полюсів.

Якщо концентрації йонів металів в розчинах солей стандартні, тобто дорівнюють 1 моль/л, то електрорушійна сила гальванічного елемента обчислюється за формулою:

,

де Е – е.р.с. гальванічного елемента; і - стандартні електродні потенціали металів - окисника і відновника.

Якщо умови нестандартні, то спочатку за формулою Нернста обчислюють електродні потенціали металів за заданими концентраціями солей, а потім знаходять їх різницю, віднімаючи від потенціалу окисника потенціал відновника.

Обчислимо е.р.с. мідно-цинкового гальванічного елемента за стандартних умов. Знаходимо в таблиці ___ стандартні електродні потенціали цинку і міді:

, .

Тоді .

Якщо в тому ж мідно-цинковому гальванічному елементі [Cu²⁺] =0,01 моль/л, а [Zn²⁺] =0,1 моль/л, то потенціали мідного і цинкового електродів, обчислені за формулою Нернста, відповідно дорівнюють:

.

.

Звідки .

Гальванічний елемент може бути складений не тільки з різних, але й з однакових електродів, занурених в розчини одного і того ж електроліту, які розрізняються тільки концентрацією (концентраційні гальванічні елементи). Е.р.с. такого елемента також дорівнює різниці потенціалів його електродів, причому від більшого за алгебраїчною величиною віднімають менший.

Дата добавления: 2015-05-24