Элемент Якоби-Даниэля Cu│CuSO4║ZnSO4│Zn может работать в режиме разряда и заряда, т.е. выполнять роль вторичного источника тока – аккумулятора.
Электрохимическая реакция, протекающая в элементе, записывается следующим образом:
Zn + CuSO4 ↔ ZnSO4 + Cu.
При разряде происходит прямая реакция, химическая энергия которой превращается в электрическую. При заряде подведенная электрическая энергия вызывает обратный процесс.
Основной характеристикой любого источника тока является его электродвижущая сила (ЭДС), которая равна разности потенциалов катода и анода на бестоковом режиме. Для медно-цинкового элемента Якоби−Даниэля стандартная ЭДС при 298 К равна 1,1 В
B.
Величина ЭДС зависит от концентрации (активности) ионов в растворах, в которые погружены медный и цинковый электроды, и вычисляется по формуле Нернста:
,
где и − активности соответствующих ионов.
На практике более важным параметром, чем ЭДС, является напряжение химического источника тока при замкнутой внешней цепи – напряжение разряда. Оно всегда меньше, чем ЭДС разомкнутой цепи. Это связано с тем, что при прохождении по цепи тока вследствии явления поляризации потенциал анода сдвигается в положительную сторону, а потенциал катода – в отрицательную. Смещение потенциала электрода называется также перенапряжением:
|
|
Епол= Ei – Eо,
где Епол – потенциал поляризации (перенапряжение), Ei – потенциал электрода под током. Eо – потенциал электрода на бестоковом режиме.
Поляризация электродов может быть вызвана различными причинами. Важнейшие из них – замедленный разряд ионов, пассивация металлов, изменение концентрации ионов у поверхности электродов и др. Кроме того, часть ЭДС теряется на преодоление внутреннего сопротивления элемента (Еомич). Таким образом, напряжение элемента при разряде
Еразр = ∆Е - Епол - Еомич.
Разрядное напряжение уменьшается со временем и с увеличением плотности тока.
При заряде элемента анод и катод меняются местами и рассмотренные факторы приводят к росту зарядного напряжения по сравнению с ЭДС:
Езар = ∆Е + Епол + Еомич.
Зарядное напряжение возрастает во времени и с увеличением плотности тока. Кривая зависимости напряжения элемента от плотности тока получила название вольт-амперной характеристикой (ВАХ) или поляризационной кривой.