Химические источники электрической энергии

Химические источники электрической энергии (ХИЭЭ) – устройства, преобразующие энергию химической реакции в электрическую энергию.

ХИЭЭ, в которых протекают необратимые окислительно-восстановительные реакции (используются однократно), называются гальваническими элементами. ХИЭЭ, в которых протекают обратимые окислительно-восстановительные реакции (допускают многократное использование), называются аккумуляторами.

Гальванический элемент. Самый первый гальванический элемент Якоби-Даниэля состоит из цинкового электрода (цинковой пластинки, опущенной в раствор сульфата цинка) и медного электрода (медной пластинки, опущенной в раствор сульфата меди). Обе пластинки соединены проводником, а сосуды с раствором – электролитическим мостиком (трубка с раствором соли).

Рис. 3. Схема гальванического элемента Якоби-Даниэля

По отклонению стрелки гальванометра можно судить, что по внешней цепи идет электрический ток.

При работе цинкового электрода на поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие Zn <=> Zn²⁺ + 2e^-.

При работе медного электрода на поверхности медной пластины возникает двойной электрический слой и также устанавливается равновесие Cu <=> Cu²⁺ + 2е^-.

Так как цинковый электрод имеет более низкое значение электродного потенциала (–0,76 В), чем медный электрод (+0,34 В), то на цинковом электроде легче идет окисление, поэтому больше накапливается свободных электронов. Поэтому при замыкании внешней цепи электроны будут переходить от цинкового электрода к медному электроду и равновесное состояние процессов окисления и восстановления на электродах нарушится.

В результате замыкания электродов по внешней цепи на цинковом электроде равновесие сместится вправо – т. е. в раствор переходит дополнительное количество ионов цинка. Будет наблюдаться растворение цинковой пластинки. На цинковом электроде протекает процесс окисления

Zn – 2e^- = Zn²⁺.

В то же время медный электрод принимает электроны из внешней цепи и на нем также смещается равновесие, только в обратную сторону (влево). Ионы меди из раствора выделяются в виде атомов на медной пластине. На медном электроде идет процесс восстановления

Cu²⁺ + 2е^- = Cu.

В электрохимии электрод, на котором идет процесс окисления (отдача электронов), называется анодом. В гальваническом элементе анод имеет заряд (−).

Электрод, на котором протекает процесс восстановления (принятие электронов), называется катодом. Катод в гальваническом элементе имеет заряд (+).

Первоначально в растворах электролитов (цинковый и медный электроды) наблюдалось равенство катионов металлов (Zn²⁺, Cu²⁺) и сульфат-ионов (SO₄^2-). Однако в процессе работы гальванического элемента в цинковом электроде раствор заряжается положительно, т.к. катионы цинка переходят в раствор с цинковой пластины Zn – 2e^- = Zn²⁺.

На медном электроде, наоборот, катионы меди, переходя из раствора на медную пластину, заряжают раствор отрицательно за счет появления избытка сульфат-ионов Cu²⁺ + 2е^- = Cu. Поэтому в элементе наблюдается направленное движение ионов (SO₄^2-) от медного электрода к цинковому электроду через электролитический мостик.

При работе гальванического элемента имеет место: движение электронов по внешней цепи – электронная проводимость; движение ионов в растворе – ионная проводимость.

Суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции (ОВР), протекающей в гальваническом элементе, запишется:

ионное уравнение – Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu;

молекулярное уравнение – Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu.

Гальванический элемент записывают в виде электрохимической схемы. Электрохимическая схема элемента Якоби – Даниэля

А (−) Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu (+) K.

Краткая схема

А (−) Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu (+) K

Максимальное напряжение, которое дает элемент (Э.Д.С.), рассчитывают как разность электродных потенциалов катода и анода:

E = е _катода - е _анода.

Э. Д. С. элемента Якоби – Даниэля для стандартных условий

e⁰Zn/Zn²⁺ = – 0,76 (В); e⁰Cu/C²⁺ = +0,34 В

Е⁰ = (+0,34) – (-0,76) = 1,10 В

В гальваническом элементе окислительно-восстановительный процесс протекает самопроизвольно в направлении той реакции, для которой Э. Д. С. реакции – величина положительная.

Так как электродный потенциал зависит от концентрации ионов металлов в растворе, то можно составлять концентрационные гальванические элементы. Например, электрохимическая схема серебряного концентрационного гальванического элемента запишется

А (−) Ag | AgNO₃ (С₁) || (С₂) AgNO₃ | Ag (+) K

где С₁ < С₂,

C₁ и C₂ – концентрации электролита AgNO₃.

Пример 3. Гальванический элемент составлен из алюминиевого электрода (концентрация ионов Al³⁺ равна 10^–4 мол/л) и никелевого электрода при стандартных условиях. Составить электрохимическую схему элемента. Указать электроды, являющиеся анодом и катодом. Рассчитать Э.Д.С. гальванического элемента. Написать уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в элементе.

Решение. Из таблицы 5 находим, что значение стандартного электродного потенциала никелевого электрода е⁰ Ni/Ni²⁺ равно – 0,25(В).

По уравнению Нернста рассчитаем электродный потенциал для алюминиевого электрода

еAl/Al³⁺ = –1,660 + 0,059 Lg 0,0001 /3 = –1,739(В).

Чем ниже значение электродного потенциала, тем легче идет процесс окисления. В электрохимии электрод, на котором идет процесс окисления, называется анодом. В гальваническом элементе анод имеет заряд (−). Алюминиевый электрод имеет меньший электродный потенциал и является анодом. Составим электрохимическую схему элемента.

А (−) Al | Al³⁺ || Ni²⁺ | Ni (+) K.

Э.Д.С. алюминий–никелевого гальванического элемента будет равна

E = е _катода – е _анода = (+0,34) – (–0,76) = 1,10 В.

На алюминиевом электроде (аноде) протекает процесс окисления

Al – 3e^- = Al³⁺.

На никелевом электроде (катоде) идет процесс восстановления

Ni²⁺ + 2е^- = Ni.

Суммарное ионное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в гальваническом элементе, запишется:

2 Al – 3e^- = Al³⁺.

3 Ni²⁺ + 2е^- = Ni

2Al +3Ni²⁺ = 2Al³⁺. + 3Ni.

Дата добавления: 2015-05-26