2. Гальванический элемент Даниэля – Якоби

Рассмотрим систему, в которой два металлических электрода погружены в растворы солей, содержащие собственные ионы (т.е. ионы того же металла, из которого сделан электрод). Примером может служить гальванический элемент Даниэля – Якоби (рис. 2). Он состоит из медной пластины, погруженной в раствор CuSO₄, и цинковой пластины, погруженной в раствор ZnSO₄. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой.

Рис. 2. Схема гальванического элемента Даниэля – Якоби:

1 – пористая перегородка; 2 - гальванометр

Схематически это можно записать следующим образом: Zn / ZnSO₄  CuSO₄ / Cu. Одна вертикальная черта обозначает границу раздела металла и раствора, две - границу между двумя растворами, в данном случае – перегородку, проницаемую только для ионов.

Если цепь разомкнута, то на обоих электродах устанавливается химическое равновесие между металлом и его ионами в растворе:

Zn  Zn²⁺ + 2

Cu  Cu²⁺ + 2

Металлы приобретают одинаковый по знаку (отрицательный) заряд, но не одинаковый по величине, так как цинк и медь имеют различную активность. Таким образом, концентрация свободных электронов на этих электродах оказывается различной. Поэтому при замыкании внешней цепи электроны с цинкового электрода будут перемешаться к медному электроду и возникает электрический ток. Концентрация электронов на цинке при этом уменьшается, это приводит к смещению равновесия на границе Zn / ZnSO₄ в сторону образования гидратированных ионов Zn²⁺ (Zn Zn²⁺ + 2), т.е. происходит процесс растворения (окисления) цинка.

Процессы окисления в электрохимии называют анодными процессами, а сам электроды, на которых они происходят, - анодами.

Концентрация свободных электронов на медном электроде в результате перешедших электронов с цинка увеличивается и равновесие на границе Cu / CuSO₄ смещается в сторону образования металлической меди (Cu Cu²⁺ + 2), т.е. происходит процесс восстановления меди.

Процессы восстановления в электрохимии называют катодными процессами, а соответствующие электроды - катодами.

Таким образом, при работе гальванического элемента одновременно происходят процессы окисления и восстановления:

Zn Zn²⁺ + 2- окисление (анодный процесс)

Cu²⁺ + 2Cu - восстановление (катодный процесс).

Суммарная реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей и может быть записана следующим образом:

Zn⁰ + Cu²⁺ Zn²⁺ + Cu⁰

или Zn + CuSO₄ ZnSO₄+ Cu

В при анодном пространстве гальванического элемента увеличивается концентрация ионов металла (Zn²⁺), возникает недостаток анионов SO₄^2-; в при катодном пространстве, наоборот, положительные ионы Сu²⁺ восстанавливаются, их концентрация в растворе уменьшается, возникает избыток анионов SO₄^2-. Поэтому ионы SO₄^2- через пористую перегородку перемещаются из пространства с раствором CuSO₄ , где они в избытке, к пространству с раствором ZnSO₄ , где их недостаток.

Схематически работа гальванического элемента записывается следующим образом:

2

(-) Zn / ZnSO₄  CuSO₄ / Cu (+)

SO₄^2-

В скобках указываются знаки электродов, причем анод записывается слева, катод - справа. Стрелки указывают направление движения электронов во внешней цепи и ионов SO₄^2- во внутренней.

Процесс, описываемый выше указанными уравнениями, протекает не только в гальваническом элементе Даниэля-Якоби, но и при простом погружении цинковой пластинки в раствор медного купороса CuSO₄. Однако в этом случае процессы окисления и восстановления совмещены, а движение электронов происходит на столь коротком пути, что не является электрическим током. В этом случае химическая энергия реакции превратится не в электрическую, а в эквивалентное количество тепловой энергии (нагревание раствора).

Гальванический элемент, основанный на описанном процессе, может служить источником получения электрического тока.

Гальваническим элементом называется устройство, в котором электрический ток получается за счет проведения химической окислительно-восстановительной реакции.