Вопрос 51

Date: 2015-10-07; view: 978.

Ряд напряжений металлов. Гальванические элементы: элемент Вольта и Даниэля-Якоби. ЭДС гальванического элемента. Поляризационные явления в гальванических элементах. Концентрационный гальванический элемент.

Вопрос 50

Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и (или) их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани.

Вольта элемент - гальванический элемент, у которого электроды — пластинки меди (положительные) и цинка (отрицательные), а электролитом служит раствор поваренной соли или серной кислоты; эдс 1,0 в. В. э. был создан в ходе экспериментов, которые А. Вольта проводил в 1792—94 для исследования электрических явлений, протекающих в цепи из двух разнородных металлов и электролита. В. э. по существу — первый химический источник тока, широко использовавшийся в лабораторной практике в начале 19 в. (см. Вольтов столб, Химические источники тока).

Основу химических источников тока составляют два электрода (отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель, и положительно заряженный катод, содержащий окислитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на отрицательном аноде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к положительному катоду, создавая разрядный ток, где они участвуют в реакции восстановления окислителя. Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному. Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

В современных химических источниках тока используются:

· в качестве восстановителя (материал анода) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;

· в качестве окислителя (материал катода) — оксид свинца(IV) PbO₂, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO₂ и другие;

· в качестве электролита — растворы щелочей, кислот^[2] или солей.

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был «элемент Вольта» — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа «вольтовым столбом». Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Даниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниеля».

ДАНИЕЛЯ-ЯКОБИ ЭЛЕМЕНТ, медно-цинковый гальванический элемент. Состоит из Си и Zn электродов, к-рые погружены в р-ры CuSO₄ и ZnSO₄ соотв., разделенные пористой перегородкой: Источником электрич. энергии служит своб. энергия хим. р-ции Zn + + CuSO₄->ZnSO₄ + Си. Эдс элемента складывается из разницы потенциалов электродов, а также диффузионного потенциала на границе ; при 25 °С и равенстве концентраций р-ров составляет ~ 1,10 В. Элемент разработан в 1836-40 Дж. Даниелем и независимо от него Б. С. Якоби; в наст, время используется в осн. в лаб. исследованиях. О.Л.Петрий.

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. ЭДС описывается термодинамическими функциями, протекающих электрохимических процессов, в виде уравнения Нернста.

ЭДС гальванического элемента равна разности электродных потенциалов составляющих его электродов. В соответствии с принятой формой записи гальванического элемента его ЭДС равна электродному потенциалу правого электрода (окислителя) минус электродный потенциал левого электрода (восстановителя).

При замыкании элемента Вольты на внешнюю цепь, содержащую амперметр, легко заметить, что показания амперметра не остаются постоянными, а непрерывно делаются все меньше и меньше. Через несколько минут после замыкания сила тока падает в несколько раз. Таким образом, элемент Вольты оказывается непригодным для получения постоянного тока. В чем же заключается причина уменьшения тока?

Ответ на этот вопрос мы находим в следующем опыте. Опустим в подкисленную воду два одинаковых электрода, например платиновых или угольных и присоединим их к амперметру. Амперметр не покажет никакого тока, что и неудивительно, так как мы уже знаем, что между двумя одинаковыми электродами (уголь — уголь) даже в растворе электролита не возникает разности потенциалов. Отсоединим теперь эти угольные электроды от амперметра и подключим их к гальваническому элементу или какому-нибудь иному генератору тока. Сразу же начнется
электролиз серной кислоты, и на одном из электродов будет выделяться водород, а на другом — кислород, получающийся при вторичной реакции между выделяющимися группами SO4 и водой:
2SO4+2Н2О=2H2SO4+О2.
Если отключить электроды от элемента, то они остаются покрытыми пузырьками соответствующих газов.

Присоединим теперь электроды снова к амперметру. В этом случае в цепи появляется заметный ток, текущий от «кислородного» электрода к «водородному»: «водородный» электрод играет роль отрицательного полюса. Возникший ток, однако, быстро ослабевает; одновременно с этим исчезает и газ на электродах, и когда пропадают последние следы газа, то прекращается и ток.

Объяснение этого опыта заключается в том, что после электролиза оба электрода делаются неодинаковыми: один из них покрывается слоем кислорода, а другой — водорода. Поэтому и потенциалы обоих электродов относительно раствора тоже становятся различными, и между ними возникает разность потенциалов, так что угольные электроды делаются подобными полюсам гальванического элемента. По этой причине описанное явление получило название поляризации, а возникающая при этом э. д. с.— э. д. с. поляризации.

Теперь нетрудно понять, почему элемент Вольты обладает плохими качествами. Мы знаем (§ 76), что внутри элемента также течет ток, причем положительные ионы, в частности ионы водорода, перемещаются от отрицательного полюса (цинка) к положительному (меди). Поэтому на положительном полюсе выделяется водород и возникает дополнительная э. д. с. поляризации, стремящаяся вызвать ток противоположного направления. Появление э. д. с. поляризации и есть основная причина ослабления тока.

Концентрационный элемент — это гальванический элемент, состоящий из двух одинаковых металлических электродов, опущенных в растворы соли этого металла с различными концентрациями С₁ > С₂. Катодом в этом гальваническом элементе является электрод погруженный в раствор с большей концентрацией, а анодом соответственно погруженным в раствор с меньшей концентрацией^[1].

В качестве примера концентрационного элемента можно привести концентрационный свинцовый гальванический элемент. Электроды этого элемента сделаны из свинца, при этом один из электродов которого погружен в раствор соли свинца с концентрацией Pb²⁺ равной 0,1 моль/л, а другой — в раствор с концентрацией Pb²⁺ равной 0,01 моль/л.

Схема данного элемента:
В данном элементе происходят электродные процессы:
- реакция восстановления
- реакция окисления

ЭДC вырабатывается за счёт разности концентраций электролитов.