Гальванический элемент

Гальванический элемент
Гальванический элемент (химический источник тока) – устройство, которое
позволяет превращать энергию химической реакции в электрическую работу. По
принципу работы различают первичные (разовые), вторичные (аккумуляторы) и
топливные элементы. Гальванический элемент состоит из ионпроводящего
электролита и двух разнородных электродов (полуэлементов), процессы окисления
и восстановления в гальваническом элементе пространственно разделены.
Положительный полюс гальванического элемента называется катодом,
отрицательный - анодом. Электроны выходят из элемента через анод и движутся во
внешней цепи к катоду.
Правила записи: слева располагается электрод, имеющий более
отрицательный потенциал (анод), справа - катод; растворы отделяются
вертикальной пунктирной линией, если они контактируют друг с другом, и двумя
вертикальными линиями, если между ними находится солевой мостик; одна
вертикальная линия означает границу раздела фаз, вертикальная пунктирная линия мембрана.
Медно-цинковый элемент.
Медно-цинковый элемент (элемент Даниэля) состоит из двух полуэлементов
(или электродов): I - цинковая пластинка погружена в раствор ZnSO4, II - медная
пластинка - в раствор CuSO4. Полуэлементы соединены ионным мостиком III.
При замыкании внешней цепи IV на аноде происходит окисление цинка:
Zn - 2е = Zn2+
На катоде - восстановление ионов меди:
Cu2+ + 2е = Cu
За счет окислительно-восстановительной реакции по внешней цепи течет
поток электронов от цинкового электрода к медному, а по ионному мостику
движутся сульфат-ионы. Цинковый электрод постепенно растворяется, на медном
выделяется металлическая медь. Схеме элемента запишется так:
анод(-) Zn ZnSO4 CuSO4 Cu катод(+)
Электродвижущая сила гальванического элемента
Полная схема гальванического элемента с учетом внешней цепи, состоящей,
например, из медного провдника, будет:
анод(-) Cu Zn ZnSO4 CuSO4 Cu катод(+)
На каждой межфазной границе существует скачок электрического потенциала.
Это контактный потенциал в месте сопрокосновения меди и цинка к, абсолютные
электродные потенциалы Zn и Cu на границе металл-раствор, диффузионный
потенциал Д на границе, разделяющей растворы. Применение ионного мостика
делает диффузионный потенциал пренебрежимо малым и его можно считать
равным нулю. Если отсчитывать абсолютный электродный потенциал, полагая
положительным переход от раствора к металлу, то для электродвижущей силы ЭДС
данного гальванического элемента можно написать равенство:
Е = Cu - Zn + к
а для гальванического элемента, содержащего металлы 1 и 2:
Е = 1 - 2 + 12
Электродные потенциалы
Абсолютные электродные потенциалы определить очень трудно. Но, т.к.
абсолютные электродные потенциалы входят в выражение для ЭДС с разными
знаками, то их можно заменить величинами, отличающимися от них постоянными
слагаемыми. Вместо абсолютного скачка потенциала на границе металл-раствор
удобно использовать ЭДС элемента, состоящего из данного электрода и другого
электрода, который во всех случаях должен быть одним и тем же. В качестве такого
электрода сравнения принят стандартный водородный электрод.
Электродным потенциалом
называется величина, равная ЭДС
гальванического элемента, составленного из данного электрода и стандартного
водородного электрода.
ЭДС электрохимического элемента равна разности электродных
потенциалов:
Е= 1- 2
Электродный потенциал электрода считается положительным, если в
гальваническом элементе со стандартным водородным электродом данный электрод
является катодом, и отрицательным - если анодом.