Гальванический элемент Даниэль-Якоби

Вступление

 

Химические источники тока (ХИТ) — устройства, позволяющие получать электрическую энергию за счет какой-либо химической реакции. В ХИТ переход химической энергии в электрическую осуществляется непосредственно без промежуточного образования тепловой и механической энергии, как это имеет место при использовании химической энергии горения топлива под паровыми котлами тепловых электростанций или в двигателях внутреннего сгорания.

Значение ХИТ в современной технике и быту очень велико. Это объясняется тем, что очень много аппаратов нуждается в автономном питании электрической энергией, не связанном со стационарными электростанциями, а также тем, что высокая надежность химических источников тока делает их незаменимыми для всякого рода аварийных устройств.

Далее, хотелось бы рассказать об истории создания и развития химических источников тока и электрохимии в целом.

 

 

Впервые химические источники тока появились в 1800 г., когда А. Вольта предложил идею батареи из медных и цинковых кружков, переложенных сукном или картоном, смоченным раствором гидроксида калия, которая впоследствии была названа «Вольтов столб» (рис.1). В 1801 г. В. В. Петров в Петербургской медико-хирургической академии соорудил «Вольтов столб» из 4200 кружков, переложенных бумагой с раствором нашатыря, с помощью которого открыл и изучил явление электрической дуги.

В 1835 г. М. Фарадей опубликовал «Некоторые практические указании по вопросу конструирования гальванической батареи и пользования ею». К 1836 г. относится появление элемента Даниэля—Якоби.

 

Теоретическая часть

Гальванический элемент Даниэль-Якоби

 

Схема гальванического элемента Даниэль-Якоби приведена на рисунке 2. Он состоит из медной пластины, погруженной в раствор CuS0₄, и цинковой пластины, погруженной в раствор ZnS0₄. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой. На поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие Zn↔Zn²⁺ + 2e^-. В результате протекания этого процесса возникает электродный потенциал цинка. На поверхности медной пластины также возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие Cu↔Cu²⁺ + 2e^-поэтому возникает электродный потенциал меди.

Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, поэтому при замыкании внешней цепи, т. е. при соединении цинка с медью металлическим проводником, электроны будут переходить от цинка к меди. В результате перехода электронов от цинка к меди равновесие на цинковом электроде сместится вправо, поэтому в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. В то же время равновесие на медном электроде сместится влево и произойдет разряд ионов меди.

Таким образом, при замыкании внешней цепи возникают самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и выделения меди на медном электроде. Данные процессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются потенциалы электродов или не растворится весь цинк (или не высадится на медном электроде вся медь).

Итак, при работе элемента Даниэля — Якоби протекают следующие процессы:

1) реакция окисления цинка Zn – 2e^-↔Zn²⁺ Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых идут процессы окисления, называют анодами;

2) реакция восстановления ионов меди Cu²⁺ + 2е^-→Cu. Процессы восстановления в электрохимии получили название катодных процессов, а электроды, на которых идут процессы восстановления, называют катодами;

3) движение электронов во внешней цепи;

4) движение ионов в растворе: анионов (SO₄^2-) к аноду, катионов (Cu²⁺, Zn²⁺) к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента. Суммируя электродные реакции, получаем:

Zn + Cu²⁺= Cu+Zn²⁺ (1)

 

Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т. е. электрический ток, поэтому суммарная химическая реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей.

Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu (2)

После создания элемента Даниэль-Якоби количество предложенных вариантов первичных элементов начало бурно расти.

В 1859 г. Гастон Планте предложил накапливать электрическую энергию с помощью двух свинцовых пластин, погруженных в раствор серной кислоты. Дальнейшее усовершенствование свинцовых аккумуляторов связано с работами Фора, начавшего в 1881 г. наносить на свинцовые пластины пасту из оксидов свинца, и Фолькнера, в 1884 г. заменившего свинцовые гладкие пластины свинцовыми решетками.

В России первые аккумуляторы были изготовлены в Минном офицерском классе в Кронштадте в 1884 г. под руководством Η. Ф. Иорданского и Е. П. Тверитинова. До Великой Октябрьской социалистической революции промышленность ХИТ в России была представлена в основном мелкими предприятиями, более крупные из которых принадлежали иностранным фирмам. После Великой Октябрьской социалистической революции производство ХИТ пришлось создавать заново и оно превратилось в крупную, хорошо развитую отрасль промышленности.

Теоретическую часть хотелось бы начать с методов определения стандартного электродного потенциала.