6.1. 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 изготовлении цинкового электрода на поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие: Zn <=> Zn²⁺ + 2e^-. На медном электроде 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. 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 на цинковом электроде равновесие сместится вправо –

т. е. в раствор перейдет 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 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 растворе электролита наблюдалось равенство катионов металлов и сульфат-ионов. Однако в процессе работы гальванического элемента на цинковом электроде катионы цинка, переходя в раствор с цинковой пластины, заряжают раствор положительно. На медном электроде катионы меди, переходя из раствора на медную пластину, заряжают раствор отрицательно за счет появления избытка сульфат-ионов. Поэтому в элементе наблюдается направленное движение ионов (SO₄^2-) от медного электрода к цинковому электроду.

Итак, 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.