Источников тока. Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальвани­ческий элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита.

Такая система делает возможным разделение окислительно-восстановительной реакции:

окис­ление протекает на одном металле, а восстановление - на другом.

Таким обра­зом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи.

Работу гальванического элемента можно рассмотреть на примере элемента Даниэля - Якоби. Элемент Даниэля -Якоби состоит из медного электрода, погруженного в рас­твор медного купороса CuSO₄, и цинкового электрода,. погруженного в раствор цинкового купороса ZnSO4, при­чем растворы соприкасаются друг с другом, но не смеши­ваются, т. к. они разделены перегородкой из пористого материала.

Пока элемент разомкнут, реакции не протекают. При этом на поверхности электродов, соприкасающихся с растворами, устанавливается электрохимическое равновесие: атомы цинка и элек­троны цинкового электрода находятся в равновесии с ионами цинка в растворе, а атомы меди с электронами медного электрода - с ионами меди в растворе. Это равновесие можно записать в виде следующих электрохимических уравнений:

Zn=Zn²⁺ +2e;

Cu=Cu²⁺+2e.

При замыкании внешней цепи элемента Даниэля - Якоби цинковый элек­трод окисляется. Это означает, что на поверхности цинкового электрода, со­прикасающегося с раствором, атомы цинка превращаются в ионы цинка и пере­ходят в раствор. Освобождающиеся при этом электроны движутся во внешней цепи к медному электроду. Совокупность этих процессов выражается электро­химическим уравнением

Zn = Zn²⁺+2e.

На медном электроде происходит восстановление ионов меди. Электро­ны, "приходящие" сюда от цинкового электрода, соединяются с "выходящими" из раствора ионами меди. Образуются атомы меди, выделяющиеся на электроде в виде металла:

Сu²⁺ + 2е = Cu.

Таким образом, при замыкании элемента в нем начинает протекать не­прерывная окислительно-восстановительная реакция. Электроны по внешней цепи переходят от цинкового электрода к медному, электрохимическое равно­весие при этом нарушается, а в растворе возникает направленное движение ио­нов.

Уравнение реакции, протекающей в элементе Даниэля - Якоби, записан­ное в ионной форме, получается при сложении написанных выше уравнений для электродов:

Zn + Cu²⁺ = Си + Zn²⁺.

Следовательно, при работе элемента в нем протекает окислительно-восстановительная реакция между атомами цинка и ионами меди.

Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом, а электрод, на котором происходит восстановление, - катодом.

Таким образом, цинковый электрод является анодом, а медный - катодом.

Анод заряжен отрицательно (от него уходят электроны во внешнюю цепь), а катод - положительно (к нему движутся электроны), т. е. распределение знаков зарядов электродов в гальваническом элементе противоположно тому, какое имеет место при электролизе.

Направление движения ионов во внутренней цепи гальванического эле­мента (в растворе) обусловлено теми же электрохимическими процессами, что протекают у электродов.

В результате чего создается электрическое поле, в ко­тором ионы Си²⁺ и Zn²⁺, находящиеся в растворе, движутся от цинкового электрода к медному, а ионы SO₄^2-- в обратном направлении. В итоге, жидкость как у катода, гак и у анода остается электрически нейтральной.

Таким образом, гальванический элемент принципиально нельзя создать только из одних металлов. Дляэтого необходим электролит.

Источником элек­трической энергии в гальванических элементах являются окислительные и вос­становительные превращения, которым отвечает скачок потенциала между электродом и раствором.