Поляризация и деполяризация электродов

П ри работе элемента Вольты отрицательные ионы SO₄ и Zn²⁺, соединяясь, образуют молекулы ZnSO₄. Ионы Н⁺ движутся к аноду, отнимают у него электроны и превращаются в нейтральные атомы водорода. На аноде выделяется газообразный водород , который постепенно покрывает тонким слоем анод, приводя к увеличению внутреннего сопротивления элемента и уменьшению его ЭДС. Это явление называется поляризацией электрода.

Для устранения поляризации электродов применяют два способа.

1) Водородный слой у анода можно устранить при помощи деполяризаторов – веществ, легко отдающих кислород (например, перекись марганца). Деполяризаторы, соединяясь с водородом, образуют воду.

В элементе Лекланше цинковый электрод имеет форму стакана, внутри которого расположен анод – угольный стержень. Он окружен деполяризатором из двуокиси марганца. Цинковый стакан заполняется электролитом.

2. В элементе Даниэля Zn и Cu опущены в растворы своих солей (ZnSO₄ и CuSO₄). Растворы разделены пористой перегородкой, не препятствующей движению ионов SO₄. При работе элемента цинк переходит в раствор, и цинковый электрод растворяется, а ионы Сu²⁺ движутся к медному аноду и восстанавливаются на нем, так что состав электродов при работе не меняется.  

2. Аккумуляторы

Гальванические элементы, о которых было рассказано – необратимые, не подлежащие восстановлению после растворения цинкового электрода.

Аккумуляторы – это химические источники тока, у которых после разрядки (преобразования химической энергии в электрическую) возможен обратный процесс зарядки (преобразования электрической энергии в химическую).

Рассмотрим для примера свинцово-кислотный аккумулятор: два одинаковых электрода из свинца (Pb) в растворе серной кислоты ( ). При погружении в кислоту на обоих электродах образуется слой соли , и раствор насыщается этой солью.

До пропускания тока зарядки электрохимические потенциалы электродов равны и ЭДС равна нулю

В процессе зарядки аккумулятора от внешнего источника тока положительные и отрицательные ионы движутся, соответственно, к катоду и аноду и после нейтрализации вступают в химические реакции с ними. Образующиеся на электродах вещества имеют разные электрохимические потенциалы – происходит поляризация электродов, поэтому возникает ЭДС.

Для работы аккумулятора важно, чтобы поляризация электродов была устойчивой и чтобы все протекающие на электродах химические реакции были обратимы.

В свинцово-кислотном аккумуляторе идут следующие реакции:

Зарядка:

На катоде: – катод становится чисто свинцовым.

На аноде: ; – концентрация серной кислоты в растворе повышается.

При разрядке протекают обратные химические реакции, и аккумулятор возвращается в исходное состояние.

Коэффициент отдачи аккумулятора . У кислотного аккумулятора .

4. Ток в вакууме

1. Работа выхода электронов из металла. Термоэлектронная эмиссия

Что удерживает свободные электроны внутри металла? Почему они не покидают его?

Электроны в металле свободно перемещаются через весь кристалл и могут удаляться от его поверхности на небольшое расстояние (порядка атомных размеров). Над поверхностью металла существует «электронная атмосфера», а под ней остается слой положительно заряженных ионов решетки, который притягивает к себе вышедшие электроны. У поверхности металла возникает двойной электрический слой. Подобно конденсатору, он не создает электрического поля вовне, но препятствует дальнейшим вылетам электронов из металла.

Чтобы преодолеть этот запирающий слой, электроны должны совершить работу выхода порядка нескольких электрон-вольт. Для каждого рода металла она имеет свое определенное значение (эти значения даются в таблицах).

М одель потенциальной ямы. Можно сказать, что электроны в металле находятся в потенциальной яме. Электронный газ заполняет часть ямы, как жидкость заполняет бассейн (точнее говоря, речь идет о заполнении электронами энергетических уровней в яме). (энергия Ферми) – максимальная энергия электронов в яме. Расстояние (энергетическое) от уровня Ферми до потолка ямы и есть работа выхода.

Если сообщить электрону в металле дополнительную кинетическую энергию , он может покинуть металл.

Работой выхода электрона называют наименьшую энергию, которую нужно сообщить электрону проводимости для выхода из металла.

Необходимую энергию можно сообщить электронам, нагревая металл до температуры порядка 1000 ⁰С.

Испускание электронов нагретым металлом называют термоэлектронной эмиссией (это явление было открыто в 1883 г. Эдисоном).

Электроны, испускаемые подогретым катодом в вакуумной трубке, летят к аноду. В 19 веке их называли «катодными лучами».

Явление термоэлектронной эмиссии используется в телевизионных трубках, компьютерных мониторах (старых), осциллографах, электронных микроскопах и радиолампах. 

Демонстрации катодных лучей.

1. Отклонение катодных лучей магнитным полем.

2. «Трубки Крукса». Катодные лучи вызывают свечение некоторых веществ: стекло светится зеленоватым светом, различные вещества светятся разными цветами. Катодные лучи заставляют вращаться вертушку с лопастями.

 

Электронная эмиссия (испускание электронов металлом) может происходить не только при нагревании.

• «Холодная эмиссия» – вырывание электронов из металла сильным электрическим полем.

• Фотоэмиссия – испускание электронов под действием света