4. Гальванические элементы

Если два различных металла погрузить в раствор электролита, то между ними возникает электрическое напряжение (разность потенциалов). Такая система СЛ. 8

Металл 1 | Раствор электролита | Металл 2

называется гальваническим элементом, или гальванической цепью. Вместо металлов в гальванической цепи можно использовать и другие вещества с металлической проводимостью, например графит.

Возникновение разности потенциалов между обоими металлическими электродами объясняется различной склонностью металлов отдавать катионы в раствор электролита. У поверхности каждого из электродов возникает двойной электрический слой (см. рис. 1), который оказывает противодействие дальнейшему переходу катионов в раствор. Если оба металла соединить металлическим проводником, то вследствие электропроводности раствора электролита (ионной проводимости) получается замкнутая электрическая цепь (рис. 2 СЛ. 9).

Рис. 2. Принципиальная схема гальванического элемента. 1 – неблагородный металл; 2 – проводник; благородный металл; раствор электролита.

В этой цепи поток электронов будет перемещаться от менее благородного металла через внешний участок цепи (металлический проводник) к более благородному металлу. При этом в растворе электролита катионы будут двигаться к благородному металлу, и разряжаться под действием имеющихся на нем электронов. В результате в замкнутой гальванической цепи возникнет электрический ток.

Электрохимические процессы, лежащие в основе действия гальванических элементов, схематически можно представить так: СЛ. 10 (0)

Неблагородный металл	Благородный металл
Окисление	Восстановление
Отдача ее, образование катионов.	Прием ее, разрядка катионов

(1) Таким образом, данный элемент представляет собой электрохимическую систему:

Металл 1

Раствор электролита 1

Раствор электролита 2

Металл 2

(2) При замыкании цепи в этом элементе протекают следующие электродные процессы:

Zn⁰ -2е^- = Zn²⁺ – (окисление); Сu²⁺ + 2е^- — Сu⁰ – (восстановление) или суммарно (окислительно-восстановительная реакция): Zn⁰ + Сu²⁺ = Zn²⁺ + Сu⁰.

Каждый гальванический элемент состоит из двух электродов (окислительно-восстановительных пар), один из которых является поставщиком электронов, а другой их принимает. При этом на одном электроде возникает избыток электронов (в данном примере — на цинке), а на другом — недостаток электронов (на меди). Электрод с избытком электронов называют отрицательным полюсом гальванического элемента, или анодом, а электрод с недостатком электронов — положительным полюсом, или катодом.

СЛ. 11 (0) Отрицательным полюсом гальванического элемента является менее благородный металл, на котором имеется избыток электронов.

(1) Положительным полюсом гальванического элемента является более благородный металл, на котором имеется недостаток электронов.

Электроны по внешнему участку цепи (по металлическому проводнику) переходят от отрицательного к положительному полюсу гальванического элемента.

При условии примерно равных концентраций электронов в растворах, в которые погружены электроды гальванического элемента, металл с меньшим значением стандартного потенциала будет отрицательным полюсом, а металл с большим значением стандартного потенциала — положительным полюсом.

(2) Например: В гальваническом элементе с цинковым и свинцовым электродами отрицательным полюсом будет цинк (Е° = -0,763В), а положительным полюсом — свинец (Е° = -0,126 В). Стандартный потенциал свинца более положителен, чем цинка.

(3) Напряжение гальванического элемента тем выше, чем больше отличаются между собой значения стандартного потенциала электродов.

Напряжение, которое показывает вольтметр, подключенный к полюсам (клеммам) гальванического элемента, называется напряжением на клеммах. Это напряжение вследствие наличия внутреннего сопротивления источника напряжения меньше действительного напряжения, называемого (4) электродвижущей силой, сокращенно эдс (обозначение (U). Электродвижущая сила гальванического элемента может быть рассчитана, исходя из значений стандартных потенциалов обеих пар, но может быть и экспериментально определена с помощью компенсационной измерительной схемы или посредством вольтметра с бесконечно большим входным сопротивлением.

СЛ. 11 (5) При стандартных условиях (25°С, 101,3 кПа, концентрация каждого электролита 1 моль/л) действительное напряжение гальванического элемента равно разности между стандартным, потенциалом положительного полюса и стандартным потенциалом отрицательного полюса, т.е.:

U= Е°₍₊₎ - Е°_(-)

Таким образом, значение U равно разности стандартных потенциалов более благородного металла и менее благородного металла.

По мере прохождения электрического тока через замкнутый гальванический элемент электрод из менее благородного металла разрушается, металл постепенно переходит в раствор в форме ионов. По этой причине гальванические элементы имеют весьма ограниченный срок службы.