Гальванический элемент. Гальванический элемент – это устройство, в котором на основе окислительно-восстановительной реакции получают электрический ток

Гальванический элемент – это устройство, в котором на основе окислительно-восстановительной реакции получают электрический ток, т.е. химическая энергия реакции превращается в энергию электрического тока.

В простейшем виде гальванический элемент состоит из двух пластин (электродов), изготовленных из разных металлов и погруженных в растворы солей соответствующих металлов. Электрод, опущенный в раствор соли, называется полуэлементом. Полуэлементы могут находиться в одном и том же сосуде, но растворы их в этом случае должны отделяться пористой перегородкой, а могут быть и в разных сосудах, но тогда растворы соединяются между собой электролитическим ключом, заполненным раствором электролита. Электрод, изготовленный из более активного металла играет роль анода (отрицательный электрод). На аноде происходит процесс окисления. Электрод, изготовленный из менее активного металла играет роль катода (положительный электрод). На катоде происходит процесс восстановления.

Каждый из электродов, опущенных в растворы солей, приобретает потенциал, т.е. на каждой из металлических пластинок образуется избыток электронов. Но более активный металл способен посылать в раствор соли больше ионов, поэтому величина возникающего отрицательного заряда на пластинке из более активного металла (анод) будет больше, чем на пластинке из менее активного металла (катод). При соединении металлических электродов проводником электроны переходят от анода к катоду.

Причиной возникновения электрического тока, т.е. перехода электронов по внешней цепи от анода к катоду, является разность потенциалов, возникающих на металлических пластинках. Чем больше различие в химической активности взятых металлов, тем энергичнее протекает в гальваническом элементе окислительно-восстановительная реакция.

Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент, или элемент Даниэля-Якоби, который состоит из цинкового электрода, погруженного в водный раствор сульфата цинка, и медного электрода, погруженного в раствор сульфата меди (11) (рис. 3).

Рис. 3. Схема медно-цин- кового гальванического элемента

Растворы обеих солей отделены друг от друга пористой перегородкой. Цинк, как более активный металл играет роль анода, а медь – роль катода. На цинковом электроде, который погружен в раствор соли ZnSO4, происходит окисление атомов цинка в ионы (растворение цинка)

Zn – 2 `e ® Zn²⁺

При этом электроны поступают во внешнюю цепь.

На медном электроде, погруженном в раствор CuSO₄, происходит восстановление ионов Cu²⁺ в атомы, которые осаждаются на электроде

Cu²⁺ + 2 `e ® Cu⁰

Суммируя эти уравнения, получаем ионное уравнение окислительно-восстановительного процесса, протекающего в данном гальваническом элементе

Zn⁰ – 2е ®Zn²⁺

Cu²⁺ + 2`e ® Cu⁰

Zn⁰ + Cu²⁺ ® Zn²⁺ + Cu⁰

или в молекулярной форме

Zn + CuSO₄ ® ZnSO₄ + Cu

Переход электронов от цинка к меди приводит к нарушению равновесия на границах обоих металлов с окружающими их растворами. С цинковой пластинки новые количества ионов Zn²⁺ переходят в раствор, т.е. цинковая пластинка растворяется. Одновременно находящиеся в растворе соли CuSO₄ ионы Cu²⁺ переходят на медную пластинку и присоединяют поступающие на неё электроны, при этом образуются нейтральные атомы, которые осаждаются на поверхности медной пластинки. Поскольку ионы Zn²⁺ всё время переходят в раствор, а ионы Cu²⁺,наоборот, уходят из раствора, электронейтральность растворов у каждого из электродов нарушается. В растворе ZnSO₄ накапливаются ионы Zn²⁺, а в растворе CuSO₄ – ионы SO₄^2-. Через пористую перегородку ионы SO₄^2- перемещаются справа налево, при этом электрическая цепь замыкается, а растворы в обоих сосудах остаются электронейтральными.

Гальванический элемент изображают в виде схемы

(-) Zn ç ZnSO₄ êï CuSO₄ ç Cu (+),

где одна вертикальная черта означает границу между электродом и раствором, две вертикальные черты – границу между растворами. В скобках указаны знаки полюсов, причём анод записывается слева, а катод – справа.

Одной из важных характеристик гальванического элемента является разность потенциалов между его электродами.

Разность потенциалов электродов в гальваническом элементе при отсутствии электрического тока называют напряжением гальванического элемента или электродвижущей силой (ЭДС), которая численно равна алгебраической разности величин электродных потенциалов

ЭДС = Е₂ – Е₁,

где Е₂ – величина более положительного потенциала (в элементе катод), Е₁ – величина более отрицательного потенциала (в элементе анод).