Гальванічний елемент (теорія)

В наш час ми не можемо уявити своє життя без хімічних джерел струму, у яких частина внутрішньої енергії речовин перетворюється на електричну енергію. До них відносять гальванічні елементи, аккумулятори і паливні елементи.

Мета заняття:

  • пояснити суть електродного потенціалу;
  • усвідомити роботу гальванічного елемента;
  • навчитися пояснювати процеси, що відбуваються на електродах у гальванічному елементі.
Алессандро Вольта

Рис. 1. Алессандро Вольта (1745—1827)

Вольтов стовп

Рис. 2. Вольтов стовп.

Наприкінці XVIII ст. італійський фізик Алессандро Вольта (Рис. 1) винайшов оригінальний пристрій, що виробляв електричний струм. Це був немов товстий «бутерброд» iз металічних пластин (міді і цинку) i тканини, яка заздалегідь була просякнута розчином сульфатної кислоти. (Рис. 2) До першої та останньої пластинок припаювали дротинки. Якщо ix занурювали у воду, то на поверхні кожної дротинки починалося виділення газу. Це відбувався електроліз води. Отже, крізь воду проходив електричний струм. Винайдене джерело струму було названо гальванічним елементом на честь Луїджі Гальвані (1737–1798) – італійського лікаря, анатома і фізіолога, який є одним із засновників електрофізіології.

Перший гальванічний елемент був незручним у користуванні i мав короткий час дії: поява на електроді бульбашок газу ускладнювала рух йонів біля електроду. У 1836 році англійський хімік Джон Фредерик Даніель та незалежно від нього німецький і російський фізик-винахідник Б. С. Якобі, запропонували інший елемент, що виробляв електричний струм протягом значно довшого часу.

Гальванічний елемент Даніеля-Якобі

Рис. 3. Гальванічний елемент Даніеля-Якобі

Гальванічний елемент Даніеля-Якобі складається з двох посудин (Рис. 3). В одній міститься розчин цинк сульфату, у який занурено пластинку з цинку, в іншій – купрум(ІІ) сульфату у який занурено пластинку з міді. Розчини з’єднано трубкою (сольовим містком), що заповнена розчином електроліту, йони якого ʜе взаємодіють з іншими йонами в гальванічному елементі, наприклад натрій нітрату. У такий спосіб забезпечується електричний контакт між посудинами. Для того щоб розчин не виливався, кінці трубки закривають скловатою чи гелем, просоченим електролітом.

Якщо електроди з’єднати дротинками з електричною лампочкою, то вона засвітиться.

Електроди відпрацьованого гальванічного елемента.

Рис. 4. Електроди відпрацьованого гальванічного елемента.

Через деякий час в обох склянках можна спостерігати хімічні перетворення: цинкова пластинка розчиняється, а на мідній пластинці з розчину осаджується мідь (Рис. 4). зменшується, а мідної збільшується. Водночас послаблюється забарвлення розчину купрум(ІІ) сульфату (концентрація йонів Сu2+ знижується). Ці хімічні зміни є результатом перенесення електронів з однієї частини елемента до іншого, тобто це типовий електрохімічний процес.

Пристрої, що виробляють електричний струм внаслідок перебігу в них хімічних реакцій, називаються хімічними джерелами струму.

Подвійний електричний шар.

Рис. 5. Подвійний електричний шар. 1 – металічна пластина         2- розчин

Розглянемо природу цього процесу. Під дією полярних молекул води катіони металу відриваються з поверхні пластинки, гідратуються і переходять в розчин, який при цьому заряджається позитивно, а в металі накопичується надлишок електронів. Чим далі протікає процес, тим більше стає заряд як металу, так і розчину. Завдяки електростатичному притягуванню катіонів розчину і надлишкових електронів металу на межі поділу фаз виникає подвійний електричний шар (Рис. 5), який гальмує подальший перехід катіонів металу в розчин. Настає момент, коли між розчином і металом встановлюється рівновага, яку можна виразити рівнянням:

Ме(тв.) ⇄ Меn+ + nē.

Різниця потенціалів, що виникає між металом і розчином електроліту, називається електродним потенціалом.

Електродний потенціал залежить від природи металу.

Чим більш активний метал, тим більше його катіонів переходить в розчин і тим більш негативно заряджена поверхня металу.

Цинк активніший за мідь, тому цинкова пластинка заряджена більш негативно, ніж мідна. При з’єднанні цинкової пластинки з мідною металевим провідником електрони переходять від пластинки цинку до міді, на поверхні якої ці електрони з’єднуються з катіонами Купруму з розчину і осаджується мідь:

Сu2+ + 2ē = Сu.

Відбувається процес відновлення.

Згадаємо при електролізі процес відновлення відбувається на катоді Така сама роль катода (мідного електрода) i в гальванічному елементі, але віддаючи електрони катіонам Сu2+, катод гальванічного елементу набуває позитивний заряд на відміну від катоду при електролізі, який має негативний заряд.

Інший електрод гальванічного елемента – цинковий – розчиняється. Атоми Цинку втрачають електрони, залишаючи їx на електроді, зазнають окиснення й перетворюються на катіони:

Zn – 2ē = Zn2+.

Цинковий електрод в гальванічному елементі виступає як анод, він має негативний заряд. (При електролізі анод заряджений позитивно.)

Сумарне рівняння (окисно-відновного перетворення в гальванічному елементі:

Cu2+ + Zn = Сu + Zn2+.

Гальванічний елемент можна зобразити схематично:

Zn|Zn2+||Cu2+|Cu

Суть перетворення така сама, що й звичайної хімічної реакції:

CuSО4 + Zn = Сu + ZnSО4.

Однак у гальванічному елементі процеси окиснення й відновлення йдуть окремо на поверхні кожного з двох електродів. Електрони, що залишаються від атомів Цинку на аноді, рухаються електричним ланцюгом до катода, де їx отримують катіони Купруму. Струм буде текти до тих пір, поки весь цинк не розчиниться або всі катіони Купруму з розчину не відновляться до міді.

Під час роботи гальванічного елемента в розчині купрум(ІІ) сульфату зменшується кількість катіонів Cu2+, а в розчині цинк сульфату збільшується кількість катіонів Zn2+. Тому сольовий місток не тільки забезпечує електричний контакт між двома розчинами, а й підтримує електронейтральність розчинів, «постачаючи» катіони стороннього електроліту (у нашому випадку Na+) у розчин купрум(ІІ) сульфату а аніони (NO3) – у розчин цинк сульфату.

Використовувати елемент Даніеля-Якобі для живлення ліхтарика, плеєра чи калькулятора незручно. Вже давно винайдено сухі гальванічні елементи. В їхніх герметичних оболонках містяться не розчини, а пастоподібні (вологі) суміші речовин.

Елемент Лекланше

Рис. 6 Елемент Лекланше

Найпоширеніший серед гальванічних елементів цього типу – манган-цинковий елемент, який винайшов французький хімік Ж. Лекланше ще у 1865 році (Рис. 6). Корпус цього елемента зроблено iз цинку; він виконує роль  анода (це – негативний полюс джерела струму). Всередині метиться волога паста з манган(ІV) оксиду (МпО2), амоній хлориду (NH4Cl) i графітового порошку. В пасту занурений графітовий стрижень, що виступає катодом (позитивний полюс). Елемент герметизовано смолою або воском. Під час роботи елемента відбуваються такі процеси. Цинк зазнає окиснення:

Zn − 2ē = Zn2+.

Через це корпус елемента iз середини поступово руйнується. На графітовому катоді відновлюється Манган:

Мn+4 + ē  =Мn+3.

Протікає хімічна реакція, що описується рівнянням

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl = 2MnO(OH) + ZnCl2 + 2NH3

На полюсах елемента створюється напруга в 1,5 В. Якщо послідовно з’єднати кілька таких елементів (катод першого елемента — з анодом другого, катод другого – з анодом третього i т. д.), то утвориться батарея. Відома плоска батарея містить 3 елементи Лекланше i має напругу 4,5 В.

Робота гальванічного елемента характеризується його електрорушійною силою (ЕРС), яку можна визначити за різницею потенціалів катоду і аноду: чим більша ця різниця тим більша ЕРС гальванічного елемента.

Рис. 7 Стандартний водневий електрод

Рис. 7 Стандартний водневий електрод

Абсолютне значення електродного потенціалу виміряти не можна. Але досить легко виміряти різницю електродних потенціалів, яка виникає в системі, що складається з двох пар електрод – розчин. Такі пари називають напівелементами. Домовилися визначати електродні потенціали металів по відношенню до так званого стандартного водневого електроду, потенціал якого умовно прийнятий за нуль. Стандартний водневий електрод складається з платинової пластинки, зануреної в розчин сульфатної кислоти з концентрацією катіонів Гідрогену 1 моль/л, і омивається струменем газоподібного водню (Рис. 7).

Газоподібний водень адсорбується на платині і переходить в атомарний стан

Н2 ⇄ 2Н.

Між атомами і катіонами Гідрогену виникає рівновага

Н ⇄ Н+ + ē.

Сумарний процес виражається рівнянням:

Н2 ⇄ 2Н+ + 2ē.

Платина не бере участі в окисно-відновному процесі, а є лише носієм атомів Гідрогену.

Якщо пластинку металу, занурену в розчин його солі з концентрацією металу 1 моль/л, з’єднати зі стандартним водневим електродом, то вийде гальванічний елемент. Електрорушійна сила цього елемента, виміряна при 25 °С, і характеризує стандартний електродний потенціал металу.

У таблиці 1 представлені значення стандартних електродних потенціалів деяких металів. Стандартні потенціали електродів, що виступають як відновники стосовно водню, мають знак «−», а як окисники – знак «+».

Стандартні електродні потенціали металів                                                 Таблиця 1.

Електрод Е0, В Электрод Е0, В Электрод Е0, В
Li+ /Li – 3,02 Zn2+/Zn – 0,763 Sb3+/Sb 0,20
Rb+ /Rb – 2,99 Cr3+/Cr – 0,740 Bi3+/Bi 0,23
K+ / K – 2,925 Fe2+/Fe – 0,440 Cu2+/Cu 0,337
Ba2+/Ba – 2,900 Cd2+/Cd – 0,400 Cu+/Cu 0,52
Sr2+ /Sr – 2,890 Co2+/Co – 0,403 Hg22+/2Hg 0,790
Ca2+/Ca – 2,870 Ni2+/Ni – 0,250 Ag+/Ag 0,799
Na+ / Na – 2,714 Sn2+/Sn – 0,166 Pd2+/Pd 0,830
Mg2+/Mg – 2,340 Pb2+/Pb – 0,126 Hg2+/Hg 0,854
Al3+/Al – 1,700 Fe3+/Fe – 0,036 Pt2+/Pt 1,20
Mn2+/Mn – 1,180 2H+/H2 0,000 Au3+/Au 1,500

Якщо метали, розташувати в порядку зростання стандартних електродних потенціалів, то ми отримаємо електрохімічний ряд напруг металів, який характеризує хімічні властивості металів.

  1. Чим більший негативний електродний потенціал металу, тим більша його відновна здатність.
  2. Кожен метал здатний відновлювати з розчинів ті метали, які стоять у ряді напруг праворуч від нього.
  3. Всі метали, що мають негативний потенціал, тобто що знаходяться в ряді напруг лівіше водню, здатні витісняти його з розчинів кислот.
  4. Чим більше різниця електродного потенціалу металів, тим більшою буде ЕРС гальванічного елемента, який з них побудований

Зверніть увагу, представлений ряд характеризує поводження металів і їх солей тільки у водних розчинах і при кімнатній температурі.

ВИСНОВКИ

 Гальванічний елемент – хімічне джерело електричного струму, яке засновано на взаємодії двох металів і (або) їх оксидів в електроліті, що призводить до виникнення в замкнутому ланцюзі електричного струму.

У гальванічному елементі частина внутрішньої енергії речовин перетворюється на електричну.

Робота гальванічного елемента характеризується його електрорушійною силою (ЕРС), яку можна визначити за різницею потенціалів катоду і аноду.

 

Питання для закріплення знань.

  1. Яке явище називається електрохімічним процесом? Які види електрохімічних процесів ви знаєте? Що таке гальванічний елемент?
  2. Що називається електродом; анодом, катодом?
  3. Що таке електродний потенціал?
  4. Як на підставі значень стандартних електродних потенціалів двох електрохімічних систем визначити, яка з них є активнішим окисником, а яка – активнішим відновником?
  5. Що називається електрохімічним рядом напруг металів? Які висновки щодо електрохімічної активності металів можна зробити, виходячи з їх розташування в електрохімічному ряді напруг?

Прейти до сторінки Гальванічний елемент