4.5. Гальванический элемент Даниэля-Якоби

Примером обратимого относительно катионов гальванического элемента является медно-цинковый элемент Даниэля-Якоби. Он состоит из цинкового и медного электродов , опущенных в растворы сульфата цинка и сульфата меди соответственно. Растворы сульфатов цинка и меди соединены между собой солевым мостиком – стеклянной трубкой, заполненной насыщенным раствором хлорида калия. Солевой мостик препятствует смешиванию растворов, проводит электрический ток. Пока цепь разомкнута, на каждом электроде существуют, в соответствии с (4.1.), следующие равновесия.

Zn  2ē D Zn²⁺

Cu - 2ē D Cu²⁺

Поскольку цинк является металлом более активным, чем медь, т.е. его стандартный электродный потенциал меньше, чем у меди, то первое равновесие по сравнению со вторым смещено вправо, следовательно на цинковом электроде имеется избыток электронов. Такой электрод называют анодом. На медном электроде будет недостаток электронов. Такой электрод – катод. Электрохимическая схема такого гальванического элемента выглядит следующим образом:

(-) Zn|ZnSO₄||CuSo₄|Cu (+)

Соединим электроды металлическим проводником. Избыточные электроны с цинкового электрода (анода) перейдут по металлическому проводнику (внешней цепи) на медный электрод (катод), где их недостаток. Равновесие на электродах нарушится. В соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна, на электродах начнутся процессы, способствующие восстановлению равновесий. На аноде (цинковом электроде) интенсивнее пойдет процесс перехода катионов из узлов решетки в раствор, что восстанавливает избыток электронов. На катоде (медном электроде) интенсивней пойдет процесс выхода катионов из раствора в узлы кристаллической решетки за счет пришедших с анода по внешней цепи электронов. То есть по внешней цепи переходят электроны, а в растворе перемещаются ионы, это и есть электрический ток. Если эти процессы записать в виде химических окислительно-восстановительных реакций, то анодный и катодный процессы при работе гальванического элемента будут следующими:

(-) Zn - 2ē → Zn²⁺ - окисление

(+) Сu²⁺ + 2ē → Cu – восстановление

При работе гальванического элемента (цепь замкнута) на аноде атомы цинка отдают электроны во внешнюю цепь и в виде катионов цинка переходят в раствор. Электроны при этом по внешней цепи переходят на катод. На катоде катионы меди из раствора, забирая электроны, переходят в узлы кристаллической решетки медного электрода. Просуммировав процессы, протекающие на электродах, получим:

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu или

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu

Суммарная электрохимическая реакция называется токообразующей. Обобщая сказанное, можно сформулировать правило.

В любом замкнутом гальваническом элементе на отрицательном электроде (аноде) происходит окисление, а на положительном электроде (катоде) – восстановление.

Гальванический элемент – это система, в которой происходит самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция (G < 0), энергия которой превращается в электрическую энергию.