4.2.2. Хімічні джерела електричної енергії

4.2.2.1. Гальванічні елементи

Спеціальні пристрої, в яких на електродах відбуваються cамодовільні окисно-відновні процеси і які створюють різницю потенціалів, а отже можливість напрямленого переміщення електронів від одного електрода (негативного) до другого (позитивного), тобто електричний струм, називають хімічними джерелами струму (ХДС). При цьому хімічна енергія окисно-відновної реакції перетворюється на електричну. До таких пристроїв відносять гальванічні та паливні елементи, акумулятори.

Гальванічний елемент складається із двох електродів – анода і катода, занурених у розчин або розплав електроліту, електролітичного ключа (сольовий місток) і зовнішньої схеми (металічні провідники та вимірювач напруги чи сили струму).

У гальванічних елементах окисно-відновні реакції протікають на поверхні електродів. Процеси окиснення і відновлення просторово розділені. Окиснення протікає на аноді, відновлення – на катоді. У гальванічному елементі анодом є електрод, потенціал якого менший, ніж потенціал катода. Анод має заряд "–", катод – заряд "+".

Максимальну напругу гальванічного елемента, яка відповідає оборотному процесу окисно-відновної реакції на його електродах, називають електрорушійною силою елемента (ЕРС) – Е . Якщо реакція здійснюється за стандартних умов, тобто якщо всі речовини, які беруть участь у реакції, перебувають у стандартних станах, то ЕРС, що досягається, називають стандартною ЕРС цього елемента. ЕРС гальванічного елементу обчислюють як різницю між потенціалами катода і анода :

_. (4.6)

Прикладом гальванічного елемента є мідно-цинковий елемент Даніеля-Якобі, що складається із цинкової та мідної пластинок, занурених у розчини сульфатів цинку та купруму (ІІ) з молярними концентраціями 1 моль/л (рис. 15).

Цинковий електрод – анод, на якому проходить реакція окиснення: Zn⁰ = Zn²⁺ + 2ē.

Мідний електрод – катод, на якому проходить реакція відновлення: Cu²⁺ + 2ē = Cu⁰

Сумарне рівняння процесу в йонному вигляді:

Zn⁰ + Cu²⁺ = Cu⁰ + Zn²⁺,

або в молекулярній формі:  Zn + CuSO₄ = Cu + ZnSO₄.

Схематичний запис гальванічного елемента виглядає таким чином:

(–) Zn ZnSO₄  CuSO₄ Cu (+).

За стандартних умов ЕРС гальванічного елемента (додаток 8):

В.

Рис. 15. Схема гальванічного елемента Даніеля-Якобі

Концентраційний елемент – гальванічний елемент, що складається з однакових електродів, занурених у розчини одного і того самого електроліта, що різняться лише концентрацією. Наприклад:

(–) Cu  CuSO₄  CuSO₄  Cu (+).

0,001моль/л 0,1моль/л

Катодом таких елементів є електрод, занурений в електроліт з більшою концентрацією, а анодом – електрод, занурений в електроліт з меншою концентрацією.

Робота гальванічних елементів супроводжується процесами поляризації електродів. Поляризація – це зміна величини електродного потенціалу катода чи анода через зміну стану поверхні електрода за рахунок утворення нерозчинних солей, оксидних і газових плівок, які виникають на поверхні електрода при роботі гальванічного елемента. Наприклад, для гальванічного елементу:

Zn | H₂SO₄ | Cu на катоді відбувається процес: 2H⁺ + 2ē → H₂↑.

Хімічна поляризація в цьому випадку обумовлена утворенням газової плівки водню, що ізолює поверхню катода від розчину електроліту, внаслідок чого зменшується ЕРС.

Концентраційна поляризація електродів виникає за рахунок зміни концентрації йонів у поверхневому шарі електрода, що впливає на величину потенціалу електрода. Наприклад, при роботі мідно-цинкового гальванічного елемента (Zn │ZnSO₄ ║СuSO₄ │ Cu) зростає концентрація йонів Zn²⁺ біля анода і зменшується концентрація йонів Сu²⁺ біля катода, що призводить до зближення значень потенціалів катода і анода, тобто до зменшення ЕРС. Усунення або зниження поляризації називається деполяризацією. Концентраційна поляризація зменшується за рахунок перемішування електроліту, а хімічна – введення деполяризаторів (речовин, які взаємодіють з побічними продуктами електролізу). Так, усунути водень можна різними окиснювачами, а кисень – різними відновниками.