157

Лекция 11.

Часть 1. Гальванические элементы

В ОВР злектроны переходят от восстановителя к окислителю, а направленное движение электронов – электрический ток. Таким образом, на основе ОВР можно создавать химические источники тока.

Химические источники тока – это устройства для непосредственного превращения химической энергии активных веществ в электрическую. К их достоинствам относятся высокий КПД, безвредность, возможность использования в различных областях техники: космосе, , под водой, в переносных устройствах, на транспорте и т.п.

Для создания таких устройств необходимы следующие условия: наличие 2-х электродов с электронной проводимостью и различающихся потенциалами, твердый или жидкий электролит с ионной проводимостью и металлический проводник, образующий внешнюю цепь. Химические источники тока так же называют гальваническими элементами.

Гальванические элементы – это электрическое устройство, в котором энергия химической окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию. Вы постоянно используете такие устройства – батарейки.

Одним из первых таких устройств был гальванический элемент Даниэля-Якоби.

Рассмотрим ОВР

0 +2 +2 0

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu

Zn⁰  2ē  Zn ⁺²

Cu⁺² + 2ē  Cu⁰

Через некоторое время Zn покроется налетом Cu (металлическим) , т.е. прошла обычная окислительно-восстановительная реакция (электроны от Zn перешли к ионам Cu⁺²) и восстановили их до свободного металла, а в растворе остались ионы Zn⁺² . Во что превращается энергия окислительно-восстановительной реакции ? В тепловую?

Однако, этот опыт можно усложнить. Разделим процессы окисления и восстановления. И создадим такие условия, чтобы электроны переходили к Cu⁺² не через раствор, а по металлическому проводнику, а именно:

Медная пластинка погружена в стакан с раствором сульфата меди, цинковая – в стакан с раствором сульфата цинка. Электроды отделены друг от друга. Растворы солей соединены между собой электролитическим ключем («солевым мостиком»)– U – образной трубкой, заполненной раствором KCl , которая обеспечивает ионную проводимость. Если замкнуть внешнюю цепь, включив в нее амперметр, то по отклонению стрелки мы будем наблюдать прохождение электрического тока.

В чем причина появления электрического тока?

⁰ _{Zn /Zn} = - 0,76 B восстановитель

⁰ _{Cu /Cu} = + 0,34 B окислитель

(А, анод) Zn⁰  2ē  Zn ⁺² процесс окисления или анодный процесс

(К, катод) Cu⁺² + 2ē  Cu⁰ процесс восстановления или катодный процесс

Zn⁰ + Cu⁺² = Zn⁺² + Cu⁰

2ē

Zn⁰ + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu

растворение цинка осаждение Cu

Условная схема гальванического элемента

Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu

граница раздела между граница раздела между проводниками

проводниками второго рода первого и второго рода

На цинковой пластинке – анод, на медной пластинке – катод.

Электроны движутся от восстановителю к окислителю. Таким образом,

внутри гальванического элемента идет химическая реакция, а во внешней цепи протекает электрический ток. Это свидетельствует о том, что в гальваническом элементе происходят превращения химической энергии в электрическую.

Е = Е_к – Е_а = φ_ох – φ_red = + 0,34 – (– 0,76) = 0,34 + 0,76 = 1,1 В

(ЭДС)

G⁰ = - nFE , т.е. Е ˃ 0 , только тогда G⁰ < 0 , т.е. выполняется условие самопроизвольного протекания процесса.

Таким образом, действие гальванического элемента Даниэля – Якоби основано на разности потенциалов 2-х металлических электродов (см лекция 10).

Число реакций, практически используемых в гальванических элементах невелико. Это связано с тем, что не всякая ОВР позволяет создать химический источник тока, обладающий ценными техническими свойствами: высокой и практически постоянной ЗДС, длительной сохранностью, компактностью и т.д.