6.2. Химические источники электрической энергии

Химические источники электрической энергии (ХИЭЭ) - это устройства, в которых энергия окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую.

Если в ХИЭЭ протекают необратимые окислительно-восстановительные реакции – это гальванические элементы. Они используются однократно до полной разрядки (например батарейки). Если в ХИЭЭ протекают обратимые окислительно–восстановительные реакции – это аккумуляторы, они используются многократно.

Рассмотрим устройство и принцип действия медно–цинкового гальванического элемента Даниэля – Якоби.

Медно-цинковый гальванический элемент состоит из цинковой и медной пластин, опущенных, соответственно, в растворы сульфата цинка и сульфата меди с концентрацией 1 моль/л (1М). Пластины соединены внешним проводником, а сосуды с раствором – электролитическим мостиком (трубка с раствором соли) или пористой перегородкой. О наличии тока в цепи можно судить по отклонению стрелки гальванометра.

В гальваническом элементе, на электроде, обладающем более низким потенциалом, накапливаются электроны. В элементе Даниэля-Якоби это цинк, его потенциал -0,76В. При соединении цинка и меди электроны переходят с цинка на медь:

Zn – 2e = Zn²⁺ - процесс окисления.

Цинковая пластинка растворяется.

На медном электроде, который обладает более высоким потенциалом (е◦_Сu/Сu²⁺ = +0,34В), ионы меди принимают электроны, находящиеся в растворе:

Cu²⁺ + 2e = Cu - процесс восстановления.

Цинковый электрод, на котором идет отдача электронов (процесс окисления), является анодом, имеет отрицательный заряд. На медном электроде идет восстановление – это катод. Катод в гальваническом элементе имеет положительный заряд. Значит, в гальваническом элементе роль анода выполняет всегда электрод, изготовленный из металла с более низким потенциалом, а роль катода – металл, имеющий более высокое значение электродного потенциала.

Итак, по внешней цепи в гальваническом элементе движутся электроны в направлении от анода к катоду, т.е. от более активного металла к менее активному - это электронная проводимость.

В растворах же наблюдается движение ионов – это ионная проводимость. Направление движения ионов (SO₄^2-) происходит из раствора с катодом в раствор с анодом. Это связано с тем, что первоначально в растворах электролитов существует равенство катионов металлов и сульфат ионов. В процессе работы гальванического элемента на цинковом электроде катионы цинка, переходя в раствор, заряжают раствор положительно. На медном электроде катионы меди, переходя из раствора на медную пластину, заряжают раствор отрицательно за счет появления избытка сульфат ионов. Поэтому наблюдается направленное движение ионов (SO₄^2-) от медного электрода к цинковому.

Гальванический элемент работает только при замыкании как внешней, так и внутренней цепи.

В гальваническом элементе протекает следующая окислительно–восстановительная реакция:

на аноде: А(-): Zn - 2e Zn²⁺;

на катоде: K(+): Cu²⁺ + 2e Cu⁰.

Суммарное ионное уравнение:

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu.

Молекулярное уравнение:

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu

Гальванический элемент можно записать в виде электрохимической схемы:

А(-) Zn / ZnSO₄ // CuSO₄ / Cu K(+).

Краткая схема:

A(-) Zn / Zn²⁺ // Cu²⁺ / Cu K(+).

Электродвижущая сила гальванического элемента (Э.Д.С.) находится как разность электродных потенциалов катода и анода:

ЭДС = е_катода - е_анода.

Например, ЭДС элемента Даниэля-Якоби для стандартных условий

ЭДС = (+0,34) – (-0,76) = 1,10В.

ЭДС элемента – величина положительная, т.к. окислительно –восстановительный процесс протекает самопроизвольно.