Химические источники электрической энергии или гальванические элементы

Под химическим источником электрической энергии, или гальваническим элементом, понимают электрохимическую систему, состоящую из двух различных электродов, помещенных в электролит.

Пример: элемент Якоби (рис.1.9). На электродах протекают полуреакции (электродные процессы):

на Zn-электроде Zn-2e = Zn²⁺

на Сu-электроде Cu²⁺ + 2e = Cu.

Появление ЭДС осуществляется за счет химической реакции вытеснения:

Zn + CuSО₄= Сu + ZnSО₄

Рис.1.9. Принципиальное устройство химического источника тока

При большом R ток в цепи приближается к нулю, а Е - к Е_равн. Гальванический элемент выделяет электрическую энергию во внешнюю цепь за счет химической реакции.

Изображают гальванический элемент согласно ЮПАК:

(-)Me|Zn|ZnSО₄,H₂О||CuSО₄,H₂О|Cu|Me(+)

Если в цепь рис.1.9 установить внешний источник тока обратного направления, то на электродах элемента Якоби-Даниэля пойдут те же реакции, но в обратном направлении:

на Zn-электроде: Zn²⁺+2e=Zn,

на Сu- электроде: Сu - 2е = Сu²⁺.

Токообразующая реакция остается прежней, но сменит направление:

Сu + ZnSО₄ = CuSО₄ + Zn.

Такой гальванический элемент называют обратимым.

Если при пропускании тока в различных направлениях на электродах протекают различные электродные процессы, такой гальванический элемент является необратимым (его не восстановить как аккумуляторы подзарядкой).

Пример. Вольтов столб Zn|H₂SО₄|Cu

Реакции на электродах:

прямая обратная

на Zn: Zn-2e = Zn²⁺ 2Н⁺ + 2е = Н₂

на Сu: 2Н⁺ + 2е = Н₂ Сu - 2е = Сu²⁺

Zn+H₂SО₄=ZnSО₄+H₂ Cu+H₂SО₄=CuSО₄+H₂

Задача электрохимии - установить электродные процессы, токообразующую реакцию, ее обратимость. Помогает термодинамика, устанавливающая связь величины ЭДС с изменением энергии Гиббса токообразующей реакции.