Reklama

Гальванические элементы

Если в раствор, содержащий ионы, опустить металлическую пластину, то между металлом и раствором возникнет разность потенциалов, т. е. металл при этом электризуется. Рассмотрим подробнее, какие процессы произойдут, если в слабый раствор серной кислоты в воде опустить цинковую пластину.

гальванические элементыТак как на поверхности пластины находятся положительно заряженные ионы цинка, составляющие его кристаллическую решетку, то в растворе около пластины оказываются отрицательно заряженные ионы SO4- -, а ионы водорода оттесняются в глубь раствора. Притяжение ионов цинка к ионам кислотного остатка вызывает переход ионов Zn++ с поверхности пластины в раствор. Пластина при этом заряжается отрицательно, а раствор — положительно, т. е. между раствором и металлом возникает разность потенциалов.

Поскольку ионы цинка, перешедшие в раствор, одновременно притягиваются и к ионам SO4- - в растворе и к отрицательно заряженной пластине, они удерживаются около самой поверхности металла (рис. 19.4). Таким образом, ионы цинка и кислотного остатка образуют двойной слой зарядов около поверхности пластины. Если и истина из чистого цинка, то его растворение быстро прекращается, так как этому препятствуют отрицательный заряд пластины и положительный заряд раствора.

Опыт показал, что разность потенциалов между раствором и металлом зависит от рода металла и раствора. Это означает, что если и один и тот же раствор опустить пластины из двух различных метилов, то между пластинами должна возникнуть разность потенциалов, которая может создавать электрический ток. В этом случае энергия тока будет получаться за счет химической энергии.

Источники электрической энергии, в которых эта энергия получается за счет химической энергии, называются гальваническими элементами. Изобретение первого гальванического элемента в конце XVIII в. итальянским ученым А. Вольта позволило получать в проводниках длительный ток и изучать его законы. Теперь мы знаем, что существенным для превращения химической энергии в электрическую является наличие двух разнородных проводников с электронной проводимостью, опущенных в раствор с ионной проводимостью.

Элемент Вольта (рис. 19.5) состоит из слабого раствора серной кислоты в воде, в который опущены медная и цинковая пластины. Между этими пластинами возникает разность потенциалов, т. е. э. д. с., равная приблизительно 1В, причем медная пластина шляется положительным полюсом, а цинковая — отрицательным. Э. д. с. элемента Вольта, как и любого гальванического элемента, не зависит ни от размера пластин, ни от количества раствора и определяется только химическими процессами, происходящими внутри элемента при его работе.

Если присоединить к полюсам элемента внешнюю цепь, то электроны с цинковой пластины, являющейся отрицательным, полюсом, устремляются к медной пластине, т. е. к положительному полюсу, ход электронов с цинковой пластины нарушает равновесие между пластиной и раствором. Ионы цинка из двойного слоя отходят от пластины, а на их место с пластины идут в раствор новые ионы. В свою очередь уменьшение положительного заряда медной пластины позволяет подойти к ней новым ионам водорода. При соприкосновении с пластиной эти ионы получают электроны и превращаются в газообразный водород. Итак, при работе элемента Вольта на то положительном полюсе выделяется водород, а на отрицательном происходит растворение цинка. Газообразный водород покрывает медную пластину и не дает ионам водорода разряжаться. Полому у медного электрода скапливаются положительные ионы, которые отталкивают другие ионы водорода и этим ослабляют ток элементе. Изменение качества поверхности электрода или концентрации ионов около него при прохождении тока через раствор называется поляризацией электрода. Поляризация электродов создает противо-э. д. с. в элементе, ослабляющую ток в нем. Эту противо-э. д. с. иначе называют э. д. с. поляризации.

элемент ЛекланшеВ элементе Вольта причиной поляризации медного электрода является выделение на нем газообразного водорода. В других гальванических элементах основной причиной поляризации тоже является выделение газов, главным образом водорода. Заметим, что поляризация электродов возникает и при электролизе, кроме тех случаев, когда анод растворяется в электролите.

Чтобы устранить поляризацию гальванического элемента, в него вводят деполяризатор — вещество, которое вступает в соединение с выделяющимися газами. Такие элементы называют неполяризующимися. Они работают достаточно устойчиво и широко распространены на практике. Одним из них является элемент Лекланше (рис. 19.6).

Отрицательным полюсом элемента Лекланше является цинковая пластина, а положительным — графитовый стержень. Электролитом служит раствор нашатыря в воде, а деполяризатором — двуокись марганца МnO2, которая смешивается с графитовым порошком и спрессовывается вокруг графитового стержня. Выделяющийся на положительном полюсе элемента водород вступает в реакцию с МnO2 и окисляется, превращаясь в воду. На отрицательном полюсе должен выделяться хлор, но ионы хлора вступают в реакцию с цинком, образуя хлористый цинк. Э. д. с. элемента Лекланше равна 1,5 В. В сухих элементах в качестве электролита применяется паста из муки и нашатыря.

Reklama