5.1. Химические источники электрической энергии

Химические источники электрической энергии (ХИЭЭ) – устройства, преобразующие энергию химической реакции в электрическую энергию.

ХИЭЭ, в которых протекают необратимые окислительно-восстановительные реакции (используются однократно), называются гальваническими элементами. ХИЭЭ, в которых протекают обратимые окислительно-восстановительные реакции (допускают многократное использование), называются аккумуляторами.

Гальванический элемент. Самый первый гальванический элемент Якоби-Даниэля состоит из цинкового электрода (цинковой пластинки, опущенной в раствор сульфата цинка) и медного электрода (медной пластинки, опущенной в раствор сульфата меди). Обе пластинки соединены проводником, а сосуды с раствором – электролитическим мостиком (трубка с раствором соли).

Рис. 3. Схема гальванического элемента Якоби-Даниэля

По отклонению стрелки гальванометра можно судить, что по внешней цепи идет электрический ток.

При работе цинкового электрода на поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие Zn <=> Zn²⁺ + 2e^-.

При работе медного электрода на поверхности медной пластины возникает двойной электрический слой и также устанавливается равновесие Cu <=> Cu²⁺ + 2е^-.

Так как цинковый электрод имеет более низкое значение электродного потенциала (–0,76 В), чем медный электрод (+0,34 В), то на цинковом электроде легче идет окисление, поэтому больше накапливается свободных электронов. Поэтому при замыкании внешней цепи электроны будут переходить от цинкового электрода к медному электроду и равновесное состояние процессов окисления и восстановления на электродах нарушится.

В результате замыкания электродов по внешней цепи на цинковом электроде равновесие сместится вправо – т. е. в раствор переходит дополнительное количество ионов цинка. Будет наблюдаться растворение цинковой пластинки. На цинковом электроде протекает процесс окисления

Zn – 2e^- = Zn²⁺.

В то же время медный электрод принимает электроны из внешней цепи и на нем также смещается равновесие, только в обратную сторону (влево). Ионы меди из раствора выделяются в виде атомов на медной пластине. На медном электроде идет процесс восстановления

Cu²⁺ + 2е^- = Cu .

В электрохимии электрод, на котором идет процесс окисления (отдача электронов), называется анодом. В гальваническом элементе анод имеет заряд (−).

Электрод, на котором протекает процесс восстановления (принятие электронов), называется катодом. Катод в гальваническом элементе имеет заряд (+).

Первоначально в растворах электролитов (цинковый и медный электроды) наблюдалось равенство катионов металлов (Zn²⁺, Cu²⁺) и сульфат-ионов (SO₄^2-). Однако в процессе работы гальванического элемента в цинковом электроде раствор заряжается положительно, т.к. катионы цинка переходят в раствор с цинковой пластины Zn – 2e^- = Zn²⁺.

На медном электроде, наоборот, катионы меди, переходя из раствора на медную пластину, заряжают раствор отрицательно за счет появления избытка сульфат-ионов Cu²⁺ + 2е^- = Cu . Поэтому в элементе наблюдается направленное движение ионов (SO₄^2-) от медного электрода к цинковому электроду через электролитический мостик.

При работе гальванического элемента имеет место: движение электронов по внешней цепи – электронная проводимость; движение ионов в растворе – ионная проводимость.

Суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции (ОВР), протекающей в гальваническом элементе, запишется:

ионное уравнение – Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu;

молекулярное уравнение – Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu.