Хімічні джерела електричного струму
Хімічні джерела електричного струму або гальванічні елементи перетворюють енергію, що виділяється при перебігу окислювально-відновних реакцій, електричну енергію. Гальванічні елементи є джерелами постійного струму. Вони поділяються нахімічні таконцентраційні.
Найпростіший хімічний гальванічний елемент можна скласти з двох металевих електродів, що мають різні електродні потенціали та з'єднані в замкнутий ланцюг.
На електроді, який має менше значення електродного потенціалу, відбуватиметься процес окислення. Такий електрод називається інакшеанодом.
На електроді, який має більше значення електродного потенціалу, відбуватиметься процес відновлення. Такий електрод називається інакшекатодом.
Розглянемо докладніше принцип роботи гальванічних елементів з прикладу елемента, складеного з цинкового і мідного електродів. Такий елемент називається інакшеелементом Якобі-Даніеля (рис. 94).
Мал. 94. Схема мідно-цинкового гальванічного елемента
Кожен електрод складається з металевої пластинки, опущеної розчин солі: ZnSO4 і CuSO4, відповідно.
Розчини солей відокремлені один від одного пористою перегородкою, крізь яку легко можуть проходити іони металів та SO4 2- . Часто замість пористої перегородки використовують «сольовий місток » – скляну зігнуту трубку, заповнену насиченим розчином KCl (рис. 95). У цьому випадку електроди не контактують один з одним, кожен з них перебуває в окремій посудині, яка з'єднується за допомогою сольового містка.
Мал. 95. Схемамідноцинкового елемента з сольовим містком: 1 – цинкова пластинка; 2 – мідна пластинка; 3 – сольовий місток
При цьому на цинковому електроді відбувається процес окислення:
в результаті якого іони цинку з платівки переходять у розчин. Надлишкові електрони по металевому провіднику з цинкової пластинки переходять на мідну і відновлюють іони Cu 2+, що містяться в розчині.
які у вигляді нейтральних атомів осідають на платівці. Залишаються вільні сульфат-іони мідного електрода і іони Zn 2+ цинкового електрода, що з'явилися в надлишку, через пористу перегородку або сольовий місток переміщаються назустріч один одному. Таким чином, у ланцюзі здійснюється перенесення електричних зарядів і виникає електричний струм.
У цьому елементі електрична енергія утворюється в результаті протікання хімічної реакції
Основною характеристикою гальванічного елемента єелектрорушійна сила (е.д.с.), від якої залежить сила струму в ланцюзі. Вона дорівнює різниці електродних потенціалів
де Е1 і Е2 – відповідно, потенціал анода та катода.
Для гальванічного елемента Якобі-Даніеля електрорушійна сила дорівнює
Чим вище значення е.р.с. елемента, тим більше сила струму його ланцюга.
Відповідно до рівняння Нернста потенціал мідного та цинкового електродів розраховується за формулами:
ECu = ECu 0 +
EZn = EZn 0 +
Віднімаючи друге рівняння з першого отримаємо вираз для розрахунку е.р.с. мідно-цинкового гальванічного елемента
е.д.с. = ECu 0 - EZn 0 + =
= ECu 0 - EZn 0 +
Для будь-якого іншого елемента, складеного з двох металевих електродів, і в основі роботи якого лежить хімічна реакція, електрорушійна сила може бути обчислена за формулою:
е.д.с.= E2 0 - E1 0 +
де Е2 0 та Е1 0 – стандартні електродні потенціали, відповідно, катода та анода; n2 і n1 – величини зарядів іонів, що у напівреакціях, які протікають на катоді і аноді; а2 та а1 – активності іонів металу в розчинах у катода та анода, відповідно).
Для температури 298K при підстановці значень констант R і F і при переході від натурального логарифму до десяткового наше рівняння запишеться інакше:
е.д.с. = E2 0 - E1 0 + 0,059
Гальванічні елементи можна позначати як схеми. Ліворуч зазвичай наводиться електрод або напівелемент з меншим значенням електродного потенціалу (анод), а праворуч - з великим значенням електродного потенціалу (катод).
Під час запису електродів спочатку вказують тверду фазу (наприклад, метал у разі металевого або редокс-електроду), а потім - речовини, розчинені в рідкій фазі. Фази відокремлюються одна від одної однією вертикальною рисою. Якщо однієї фазі міститься кілька компонентів, всі вони записуються через кому.
Кордон розділу між розчинами двох електродів зображують пунктирною вертикальною рисою або двома суцільними лініями ½½ (якщо розчини відокремлюються один від одного сольовим містком).
Відповідно до вищевикладених правил схема елемента Якобі-Даніеля виглядає наступним чином:
Гальванічний елемент може бути складений і двох редокс-електродів, що мають різне значення редокс-потенціалу. Такі елементи називаються інакше окислювально-відновними гальванічними елементами. Вони також належать до хімічних гальванічним елементам, т.к. в основі їх дії лежить перебіг хімічної реакції.
Гальванічний елемент, у якому джерелом енергії є не хімічна реакція, а роботавирівнювання концентрацій (активностей) іонів, називається концентраційним. Він може складатися з двох однакових металевих електродів, занурених у розчини однієї і тієї ж солі, але з різною концентрацією (активністю) іонів металу (рис. 96), наприклад:
Zn ½ ZnSO4 ½½ ZnSO4 ½ Zn або Ag ½ AgNO3 ½½ AgNO3 ½ Ag
Сам електрод у своїй заряджається негативно.
На електроді, зануреному більш концентрований розчин, навпаки, осаджуються іони металу, і він заряджається позитивно. Таким чином, на обох електродах протікають процеси, що призводять до вирівнювання концентрації іонів металу у розчинах.
Потенціали електродів у своїй рівні:
E1 = E 0 +; E2 = E 0 +
Віднімаючи перше рівняння з другого отримаємо формулу для підрахунку е.р.с. з концентраційного елемента:
е.д.с. = E2 - E1 =
е.д.с. =
Концентраційний елемент буде працювати доти, доки активності іонів металів в обох розчинах не зрівняються; при а1 = а2 його е.р.с. дорівнюватиме 0.