7.1 Принцип работы гальванического элемента

В основе работы гальванического элемента лежит явление возникновения электродного потенциала на границе металл –раствор.

Металлы – это вещества, в узлах кристаллической решетки которых находятся катионы, а в межатомном пространстве свободные электроны (электронный газ). При контакте металлов с водой в результате взаимодействия катионов металла (Meⁿ⁺) с полярными молекулами воды часть ионов металла перейдет в раствор в виде гидратов (Meⁿ⁺·nH₂O), а электроны останутся на металле, т.е. раствор будет иметь положительный заряд, а металл – отрицательный. Таким образом, на границе металл–раствор образуется двойной электрический слой. В результате образования двойного электрического слоя на границе металл–раствор возникает скачок потенциала, который называют электродным потенциалом и обозначают φ.

Принцип работы гальванического элемента разберем на примере работы элемента, составленного из цинкового и медного электродов, опущенных в 1М растворы своих солей, схема которого приведена на рисунке 7.1.

Цинковый и медный электроды соединены проводником первого рода (металл), а растворы электролитов – электролитическим мостиком. В гальваническом элементе различают внешнюю цепь – проводник первого рода и внутреннюю цепь – проводник второго рода (раствор электролита). Во внешнюю цепь включен гальванометр.

Рисунок 7.1 – Схема гальванического элемента Дениеля-Якоби

Цинковый электрод в сравнении с медным имеет более низкое значение электродного потенциала. После соединения данных электродов возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая приводит к переходу электронов с цинкового электрода на медный. Таким образом, цинковый электрод является анодом, а медный – катодом. Переход электронов приводит к изменению электродных потенциалов на электродах и для восстановления их значений будет происходить частичное окисление Zn и восстановление Cu⁺². Накапливающиеся в анодном участке Zn⁺², а в катодном нескомпенсированные SО₄^–2 через электролитический мостик будут взаимодействовать с образованием ZnSО₄. Электрическая цепь замкнута, поэтому гальванический элемент будет работать до полного окисления цинкового электрода или восстановления всех ионов меди.

На примере данного элемента покажем схематическую форму записи гальванического элемента и напишем реакции, протекающие на электродах и

во внутренней цепи.

Схема гальванического элемента: (А) Zn | ZnSО₄ || CuSО₄ | Cu (К).

Реакции на аноде и катоде:

А) Zn – 2е = Zn²⁺,

К) Cu²⁺ + 2е = Cu.

Реакция, обеспечивающая проводимость во внутренней цепи:

Zn²⁺ + SО₄^2– = ZnSО₄.

Суммарная реакция, протекающая в ходе работы гальванического элемента, имеет вид

Zn + CuSО₄ = Cu + ZnSО₄.

Электродвижущая сила гальванического элемента (ЭДС) равна разности электродных потенциалов двух полуэлементов:

E = φ⁰_(Cu2+/Cu) – φ⁰_(Zn2+/Zn) = +0,34 – (–0,76) = 1,1 В.

В общем виде – это разность потенциалов катодного и анодного процессов:

Eгальван. эл-та = φ катода – φ анода.

(7.1)