При известных условиях электрическая энергия может быть получена за счет всех видов энергии: механической, тепловой, световой и т. д. Очень часто электрическую энергию получают за счет химических превращений.

Прибор, в котором в результате химических реакций получается электрическая энергия, т. е. химическая энергия превращается в электрическую энергию, называется гальваническим элементом.

Гальванические элементы нашли широкое применение в качестве источников постоянного тока в промышленности, на транспорте, в военном деле, в лабораторной практике, в медицине и других областях народного хозяйства и науки.

Гальванический элемент состоит из двух или нескольких полуэлементов или электродов. Простейший электрод (первого рода) представляет собой металлическую пластинку, погруженную в раствор, содержащий ионы этого же металла.

Еще в XVIII веке было замечено, что на границе раздела металл–вода (или раствор электролита) возникает разность электрических потенциалов.

По современным представлениям, при погружении металла, например цинка, в воду происходит отрыв ионов от кристаллической решетки металла под влиянием полярных молекул растворителя. В результате перехода катионов металла в раствор металл приобретает некоторый отрицательный заряд за счет оставшихся на нем электронов. Возникающий отрицательный заряд будет во все большей степени препятствовать переходу положительных ионов цинка в раствор. Наконец, растворение металла прекратится вообще, точнее, между пластинкой металла и раствором установится динамическое равновесие — скорость растворения металла станет равной скорости обратного процесса осаждения катионов цинка из раствора на пластинку. Это равновесие, состояние которого определяется природой металла и растворителя, обусловливает появление двойного электрического слоя и определенный скачок потенциала между металлом и растворителем, получивший название электродного потенциала. В случае цинкового электрода протекают две равновесные реакции:

Zno — 2e = Zn+2;

Zn+2 + 2e = Zno.

У разных металлов вследствие неодинаковой энергии связи атомов в кристаллической решетке и различной способности их катионов к гидратации растворение металла протекает не в одинаковой степени, а следовательно, и равновесные электродные потенциалы, возникающие на границе металл–жидкость, будут различными. Также на величину равновесного потенциала будет оказывать влияние концентрация одноименных с металлической пластинкой ионов.

Это связано с тем, что присутствующие в растворе ионы цинка будут способствовать сдвигу равновесия в сторону увеличения скорости осаждения ионов цинка из раствора на пластинку, тем самым уменьшая отрицательный заряд пластинки. Заряд пластинки будет тем меньше, чем больше концентрация ионов цинка в растворе.

Таким образом, при погружении металлической пластинки в водный раствор, содержащий ионы того же металла, на границе раздела фаз возникает двойной электрический слой, обусловленный конкуренцией двух процессов:

а) растворение металла, характеризуемое работой, затрачиваемой на вырывание протонов из кристаллической решетки металла и перевод их в раствор;

б) осаждение ионов на металлическую пластинку, определяемое работой по разрушению гидратной оболочки ионов и осаждению их на металле.

Если энергия гидратации больше энергии электронно-ионной связи металла, то ионы выходят из металла в раствор, пластинка заряжается отрицательно, а близлежащий слой раствора — положительно.

Если энергия гидратации меньше энергии электронно-ионной связи металла, то ионы осаждаются на пластинке, она заряжается положительно, а близлежащий слой раствора — отрицательно.

Если гальванические цепи составляются из двух качественно различных электродов с различными активностями ионов, то они называются химическими и схематически это записывается следующим образом:

где а1 и а2 — активности ионов в растворе; вертикальные черточки представляют границу раздела металл–раствор, причем электрод с большим потенциалом (восстанавливается) записывается справа, а с меньшим (окисляется) — слева.

Электролитический проводник включают для устранения диффузионного потенциала, который возникает на границе электродных электролитов, либо за счет различной подвижности ионов, либо за счет разницы концентраций. При этом электролитический проводник должен удовлетворять следующим требованиям:

• электролит должен быть сильным;

• концентрация электролита должна быть высокой;

• электролитические подвижности ионов должны иметь близкие значения (lкатиона = lаниона);

• электролит не должен образовывать труднорастворимое соединение с электродными растворами.

Примером гальванического элемента может служить медно-цинковый элемент Даниэля-Якоби, состоящий из двух электродов первого рода — медного и цинкового. Электроды представлены медной и цинковой пластинками, погруженными соответственно в растворы сульфата меди и сульфата цинка. Схематически элемент Даниэля-Якоби вглядит так:

Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Сu.

Если рассматривать цинковый и медный электроды в отдельности, то, как и описывалось выше, на границах металл–раствор в конкретных условиях сформируются равновесные электродные потенциалы. Однако как только соединить два электрода в электрическую цепь при помощи электрического проводника (провод, не путать с электролитическим проводником), в силу более выраженных металлических свойств цинка пластинка последнего будет, растворяясь, окисляться, а ионы меди из раствора будут осаждаться на медной пластинке.

Zn + CuSO4 = Cu + ZnSO4,

или

Zno + Cu+2 = Zn+2 + Cuo.

При этом электроны по проводнику будут двигаться от цинковой пластинки к медной, т. е. в цепи возникнет электрический ток.

Таким образом, комплекс протекающих окислительно-восстановительных реакций, представляющий химическую работу по перераспределению зарядов (в нашем случае между металлическими пластинками и растворами каждого электрода), привел к возникновению разности потенциалов между двумя электродами. Данная максимальная разность потенциалов, характеризующая максимальную работу гальванического элемента, называется электродвижущей силой, или ЭДС.

Купить

Внимание! Авторские права на книгу "Физическая и коллоидная химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие" (Под ред. Белопухова С.Л.) охраняются законодательством!

Физическая и коллоидная химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие

Оглавление

Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгу

2. Определение электродных потенциалов и концентрации ионов в растворе методом измерения электродвижущих сил

ЛитГид

Помощь

Книги

ЛитГид в соцсетях