Как составить схему гальванического элемента химия

Алгоритм составления схемы гальванического элемента.

1. Записать схемы
   электродов.

2. Используя
   уравнение Нернста рассчитать величины
   электродных потенциалов.

3. Определить,
   зная, что φ_к
   
   φ_а,
   электрод-анод и электрод-катод.

4. Составить
   схему гальванического элемента,
   используя принятую форму записи.

5. Записываем
   уравнения катодной, анодной и суммарной
   реакций, идущих в элементе.

6. Рассчитать ЭДС
   гальванического элемента.

Пример
1. Составить
схему гальванического элемента, анодом
которого является магний, погруженный
в раствор соли с концентрацией 0,01М.

Решение.
1.
Записываем схему электрода: Mg|Mg²⁺

1. По
   уравнению. Нернста рассчитываем величину
   электродного потенциала:

1. Так
   как в условии задачи не указан материал,
   из которого изготовлен катод, то
   используя соотношение φ_к
   
   φ_а,
   выбираем металл с более положительным
   потенциалом. Например, цинковый электрод.
   Значение потенциала выбранного электрода
   определяем по таблице «Стандартные
   электродные потенциалы металлов при
   25⁰С».

Следовательно,
.

1. Записываем схему
   гальванического элемента:

А(-)
Mg|Mg²⁺||Zn²⁺|Zn (+)K

1. Записываем
   электродные реакции:

А(-)
Mg

2e^–

Mg²⁺

K(+)
Zn²⁺
+ 2e^–

Zn⁰

Суммарная
реакция: Mg⁰
+ Zn²⁺

Mg²⁺
+ Zn⁰

1. Рассчитываем ЭДС
   гальванического элемента:

Пример
2. Составьте
схему гальванического элемента,
состоящего из водородного электрода,
погруженного в раствор с рН =3 и железного
электрода, погруженного в раствор соли
с концентрацией 0.1М. Рассчитайте ЭДС
элемента.

Решение.
1.
Записываем схемы электродов:

Водородный
– 2Н⁺|
Н₂
(Pt);

Железный
–
Fe|Fe²⁺

1. По
   уравнению Нернста рассчитываем величину
   электродного потенциала железного
   электрода:

Используя
уравнение Нернста (4) рассчитываем
величину электродного потенциала
водородного электрода:

1. Используя
   соотношение φ_к
   
   φ_а
   определяем электрод-анод.

Так
как величина φ-потенциала
железного электрода меньше
следовательно этот электрод является
анодом.

1. Записываем схему
   гальванического элемента:

А(-) Fe|Fe²⁺||2H⁺|H₂ (+)
K

1. Рассчитываем ЭДС
   гальванического элемента.

Задания для
самоконтроля

1. Составьте
   схему гальванического элемента,
   состоящего из никелевого электрода-катода,
   погруженного в раствор соли с концентрацией
   0.02М. Напишите уравнения электродных
   реакций и вычислите ЭДС гальванического
   элемента.

2. Составьте
   схему гальванического элемента,
   состоящего из медного электрода,
   погруженного в раствор соли меди с
   концентрацией 0.01М и железного электрода,
   погруженного в раствор соли железа с
   концентрацией 0.1М. Напишите уравнения
   электродных реакций. Вычислите ЭДС
   гальванического элемента.

3. Составьте
   схему гальванического элемента,
   состоящего из стандартного водородного
   электрода и ртутного электрода.
   Рассчитайте его ЭДС при [Hg²⁺]=0,1
   М. Напишите уравнения электродных
   реакций.

4. Составьте
   схему и рассчитайте ЭДС концентрированного
   гальванического элемента, составленного
   из двух железных электродов, погруженных
   в раствор соли железа с концентрациями
   1 М и 0,01 М. Напишите уравнения электродных
   реакций.

5. В гальваническом
   элементе протекает химическая реакция

Zn+NiSO₄=ZnSO₄+Ni.

Напишите его схему
и уравнения электродных реакций.
Вычислите ЭДС этого элемента при
стандартных условиях. Какой металл
вместо никеля можно взять, чтобы увеличить
ЭДС?

1. Составьте
   схему гальванического элемента,
   состоящего из водородного электрода,
   погруженного в раствор с pH=5,
   и марганцевого электрода, погруженного
   в раствор соли марганца с концентрацией
   0,2 М. Напишите уравнения электродных
   реакций и рассчитайте его ЭДС.

2. Составьте
   схему гальванического элемента,
   состоящего из водородного электрода,
   погруженного в раствор с pH=10,
   и серебряного электрода, погруженного
   в раствор соли серебра с концентрацией
   0,01 М. Напишите уравнения электродных
   реакций и рассчитайте его ЭДС.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Фундаментальные законы физики и химии, и в том числе, закон сохранения массы и энергии вещества, находят свое подтверждение на уровне перемещения мельчайших частиц – электронов, массами которых в химии обычно пренебрегают.

Речь идет об окислительно-восстановительных процессах, сопровождающихся переходом электронов от одних веществ (восстановителей) к другим (окислителям). Причем вещества могут обмениваться электронами, непосредственно соприкасаясь друг с другом.

Однако существует множество случаев, когда прямого контакта веществ не происходит, а процесс окисления-восстановления все равно идет. А если он идет самопроизвольно, то при этом еще и энергия выделяется. Ее человек с успехом использует для выполнения электрической работы.

Реализуется такая возможность в гальваническом элементе, схема работы которого, а также расчеты, связанные с ним,  рассматриваются в данной статье.

Содержание:

1) Простейший гальванический элемент: схема работы.

2) Как устроен гальванический элемент Даниэля-Якоби, или Так где же все-таки электрический ток?

3) Типовые задачи на схему гальванического элемента: примеры решения.

Простейший гальванический элемент: схема работы

Гальванический элемент – это прибор, позволяющий при посредстве химической реакции получить электрическую энергию.

Пластинка металла и вода: простые взаимоотношения

Давайте сначала разберемся, что происходит с пластинкой металла, если опустить ее в воду?

Процесс схож с диссоциацией соли: диполи воды ориентируются к ионам металла и извлекают их из пластины. Но почему же тогда не происходит растворения самой пластины в воде? Все дело в строении кристаллической решетки.

Кристаллы соли состоят из катионов и анионов, поэтому диполями воды извлекаются из решетки и те, и другие.

У металла же кристаллическая решетка представлена атомами-ионами. Внутри нее всегда происходит превращение атомов в катионы за счет отщепления валентных электронов и обратный процесс: катионы снова превращаются в атомы, присоединяя электроны. Электроны являются общими для всех ионов и атомов, присутствующих в кристаллической решетке металла.

Процессы внутри металлической кристаллической решетки в обобщенном виде можно показать так:

В итоге, вода, окружающая пластинку – это уже не собственно вода, а раствор, составленный из молекул воды и перешедших в нее из пластины  ионов металла. На  пластине же возникает избыток электронов, которые скапливаются у ее поверхности, так как сюда притягиваются гидратированные катионы металла.

Возникает так называемый двойной электрический слой.

Бесконечно катионы металла с пластины в раствор уходить не будут, поскольку существует и обратный процесс: переход катионов из раствора на пластину. И он будет идти до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие:

На границе раздела «металлическая пластина – раствор» возникает разность потенциала, которая называется равновесным электродным потенциалом металла.

 Пластинка металла и раствор его соли: к чему приводит такое соседство

А что произойдет, если металлическую пластинку поместить не в воду, а в раствор соли этого же металла, например, цинковую пластинку Zn в раствор сульфата цинка ZnSO₄?

В растворе сульфата цинка уже присутствуют катионы цинка Zn²⁺. Таким образом, при погружении в него цинковой пластины возникнет избыточное количество этих катионов, и уже известное нам равновесие (см. выше) сместится влево. Все это приведет к тому, что отрицательный заряд на пластинке будет иметь меньшее значение, так как меньшее количество катионов с нее будет переходить в раствор. Как результат – более быстрое наступление равновесия и менее значительный скачок потенциала.

Потенциал металла в растворе его же соли в момент равновесия записывают так:

Металл, погруженный в раствор электролита, называют электродом, обратимым относительно катиона.

Цинк – достаточно активный металл. А если речь будет идти о медной пластинке Cu, погруженной в раствор, например, сульфата меди (II) CuSO₄?

Медь – металл малоактивный. Двойной электрический слой, конечно же,  появится и в этом случае. Но! Катионы из пластинки в раствор переходить не будут. Наоборот, катионы меди (II) Cu²⁺из раствора соли начнут встраиваться в кристаллическую решетку пластинки и создавать положительный заряд на ее поверхности. Сюда же подойдут сульфат-анионы SO₄^2-и создадут вокруг нее отрицательный заряд. То есть распределение зарядов в данном случае будет совершенно противоположным, чем на цинковой пластинке.

Это общая закономерность: пластинки из малоактивных металлов при погружении в раствор их солей всегда заряжаются положительно.

Как устроен гальванический элемент Даниэля-Якоби, или Так где же все-таки электрический ток?

Известно, что электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (электронов).

На активном металле скапливаются электроны, а поверхность малоактивного металла, заряжается положительно. Если соединить проводником (например, металлической проволокой) оба металла, то электроны с одного перейдут на другой, а двойной электрический слой перестанет существовать. Это будет означать возникновение электрического тока.

Причем, ток возникает за счет окислительно-восстановительного процесса: активный металл окисляется (так как отдает электроны малоактивному), а малоактивный металл восстанавливается (так как принимает электроны от активного). Металлы друг с другом не соприкасаются, а взаимодействуют через посредника: внешнего проводника. Данная схема и есть схема гальванического элемента. Именно так устроен и работает гальванический элемент Даниэля-Якоби:

В схеме элемента показан «солевой мостик». Он представляет собой трубку, в которой присутствует электролит, не способный взаимодействовать ни с электродами (катодом или анодом), ни с электролитами в пространствах у электродов. Например, это может быть раствор сульфата натрия Na₂SO₄. Подобный мостик нужен для того, чтобы уравновешивать (нейтрализовать) заряды, образующиеся в растворах гальванического элемента.

Таким образом, возникшая электрическая цепь замыкается: анод → проводник с гальванометром → катод → раствор в катодном пространстве → «солевой мостик» → раствор в анодном пространстве → анод.

Анод – электрод, на котором происходит окисление (цинковая пластинка):

Электроны цинка Zn отправляются по внешней цепи (то есть по проводнику) на катод.

Катод – электрод, на котором происходит восстановление (медная пластинка):

Катионы меди Cu²⁺, пришедшие на пластинку из раствора сульфата меди (II), получают электроны цинкового анода.

В общем виде весь процесс окисления-восстановления в гальваническом элементе выглядит так:

Для любого гальванического элемента можно составить запись в виде схемы. Например, для приведенного элемента Даниэля-Якоби она будет выглядеть так:

Здесь:

1 – анод;

2 – катод;

3 – скачок потенциала (граница раздела фаз);

4 – электролит в анодном пространстве;

5 – электролит в катодном пространстве;

6 – граница между растворами (солевой мостик).

Или сокращенно:

Типовые задачи на схему гальванического элемента: примеры решения

По вопросу, рассмотренному в данной статье, возможны два основных вида задач.

Задача 1. Составьте схему гальванического элемента, в котором протекает реакция:

Решение:

Задача 2. Напишите электродные и суммарные уравнения реакций, протекающих в гальваническом элементе:

Решение:

Итак, разобрав принцип работы гальванического элемента, мы научились записывать схему его работы и определять основные процессы на электродах.

Чтобы самыми первыми узнавать о новых публикациях на сайте, присоединяйтесь к нашей группе ВКонтакте.

Свинцовую и цинковую пластины опустили в раствор нитрата серебра. Составьте уравнения реакций, происходящих на этих пластинах. Какие процессы будут проходить на пластинах, если наружные концы их соединить проводником? Напишите схему гальванического элемента.

Решение задачи

Запишем уравнения химических реакций, происходящих на пластинах.

Свинцовая пластина:

Pb⁰ – 2e– → Pb²⁺

Ag⁺ + e– → Ag⁺

Цинковая пластина:

Zn⁰ – 2e– → Zn²⁺

Ag⁺ + e– → Ag⁰

Если наружные концы пластин соединить проводником, образуется гальванический элемент.

Гальванический элемент (ГЭ) – это устройство, в котором энергия химической реакции превращается в электрическую. В основе работы гальванического элемента лежит ОВР.

Составим схему гальванического элемента:

Zn │Zn(NO₃)₂ ║ Pb(NO₃)₂ │Pb

Сравним стандартные электродные потенциалы цинка (Zn) и свинца (Pb):

E⁰(Zn²⁺/Zn⁰) = – 0,76 В,

E⁰(Pb ²⁺/ Pb ⁰) = – 0,13 В.

Цинк (Zn) – металл, имеющий более отрицательное значение стандартного электродного потенциала и поэтому является более сильным восстановителем. Следовательно, цинк (Zn) будет подвергаться окислению под действием ионов свинца (Pb), и электроны от цинка (Zn) будут переходить к свинцу(Pb):

Таким образом, Zn – анод (А) и Zn – восстановитель, Pb – катод.

(–) Zn │Zn(NO₃)₂ ║ Pb(NO₃)₂ │Pb (+)

Электроны двигаются от цинка к свинцу. Схема гальванического элемента
Запишем электронные уравнения процессов, протекающих на электродах на пластинах, и составим суммарное уравнение:

(-) (А) Zn⁰ – 2e– → Zn²⁺        – процесс окисления

(+) (K)   Ag⁺ + e– → Ag⁰          – процесс восстановления

Схема гальванического элемента

Вывод:

при замыкании пластин цинковая пластина растворяется, а на свинцовой пластине осаждается серебро.

Практически каждый из нас держал в руках гальванический элемент, называя его батарейкой. В этой статье мы поговорим об этом химическом источнике тока, изобретенном в далеком 18 веке, выясним, как он работает, и соберем простейшую «батарейку» своими руками.

Что это такое

Гальванический элемент (ГЭ) – это устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую. Иными словами, это химический источник электрического тока. Подключаем к его электродам электрическую цепь, и по ней начинает течь ток до тех пор, пока не израсходуются все реагенты, участвующие в химической реакции. После этого конструкция восстановлению не подлежит и выбрасывается. Обычно в этом случае мы говорим, что батарейка «села».

В процессе развития гальванический элемент претерпел множество изменений. У Луиджи Гальвани, к примеру, электродами служили медные крючки и стальной скальпель, а электролитом – жидкость мышечных тканей лапки лягушки. В элементах Даниэля-Якоби для электродов использовались цинк и медь, а электролитом служили растворы сульфата меди и сульфата цинка, разделенные ионопроницаемой мембраной. У Василия Петрова электролитом был нашатырь.

Несмотря на такие большие различия, все эти элементы работали на одном и том же принципе – взаимодействии двух металлов в электролите. Сегодня мы не будем копаться в истории и разбирать старые идеи, а поговорим о современных батарейках, праотцом которых считается Жорж Лекланше.

Из чего состоит

Современная батарейка (а это и есть доработанный элемент Лекланше) состоит из цинкового стакана – анода, в котором размещен графитовый стержень – катод. Последний покрыт слоем смеси диоксида марганца с порошкообразным графитом. Остальное пространство стакана заполнено желеобразным электролитом.

На рисунке цифрами обозначены:

• 1 – металлический колпачок;
• 2 – графитовый стержень;
• 3 – цинковый стакан (анод);
• 4 – смесь диоксида марганца с графитом (катод);
• 5 – электролит;
• 6 – металлическое дно.

Катодом служит диоксид марганца в смеси с графитом (отсюда и название – марганцево-цинковый элемент). Графитовый стержень является лишь токоотводом.

Так выглядят внутренности реальной марганцево-цинковой батарейки

Несколько слов об электролите. В солевых батарейках его роль играет раствор хлорида аммония (NH₄Cl), загущенный крахмалом до пастообразного состояния. Именно из-за этого элемент называют сухим – в нем ничего не плещется.

В щелочных (алкалиновых) батарейках, изобретенных Льюисом Урри, в качестве электролита используется щелочь – гидроксид калия (КОН). Что касается конструкции, она та же, только анод представляет собой не цинковый цельный стакан, а порошок.

Упомянем литиевые батарейки (не путать с аккумуляторами!). Во всех них рабочим элементом является литий, входящий в состав анода, отсюда и название. Остальные анодные присадки, материал катода и электролит могут быть разными. От них зависит и электрическая емкость, и, что самое важное, ЭДС, которая колеблется от 1.5 до 3.7 В.

Как работает

Принцип функционирования марганцево-цинкового гальванического элемента сложный. Но если вы дружите с химией, то вкратце для солевой батарейки все выглядит так:

При замыкании внешней цепи электроны по ней с анода (цинк) устремляются на катод (смесь графита с диоксидом марганца):

Здесь электроны расходуются на восстановление H₃O⁺-ионов:

Эти ионы образуются за счет протолиза NH₄⁺-ионов электролита:

При этом выделяется газообразный водород, который создает вокруг графитового катода газовую диэлектрическую прослойку, нарушающую работу элемента. Этот эффект называется поляризацией. Для подавления поляризации используется диоксид марганца, который называют деполяризатором. Благодаря ему H₃O⁺-ионы восстанавливаются с образованием не водорода, а воды:

При этом электролит диссоциирует и частично протолизируется:

Образующиеся на аноде ионы Zn²⁺ переходят в раствор с образованием нерастворимой соли:

Общая химическая реакция, происходящая при разрядке солевой батарейки, выглядит следующим образом:

В процессе разрядки элемента цинковый электрод, являющийся одновременно стаканом, постепенно разрушается, поэтому его делают (должны делать) с запасом по толщине.

Что касается литиевых батареек, то химических процессов в них такое же множество, как и комбинаций материалов, из которых они изготовлены. Для примера приведем общую химическую реакцию в литиевой батарейке с диоксидом марганца.

Классификация

Как мы уже выяснили, хотя у гальванических элементов сходный принцип работы, они могут иметь в составе самые разные материалы и вещества. Их делят на 3 основных типа:

• солевые;
• щелочные;
• литиевые.

Солевые.
Самый бюджетный тип батареек с посредственными характеристиками. Из особенностей таких элементов можно выделить:

• ЭДС – 1.5 В;
• малые рабочие токи;
• малая электрическая емкость;
• непродолжительный срок службы;
• невысокая стоимость.

Солевые батарейки при длительном хранении в полуразряженном состоянии или при полной разрядке, как правило, «текут», заливая батарейный отсек электролитом.

Щелочные (алкалиновые).
Здесь характеристики намного лучше, но заплатить придется дороже:

• ЭДС – 1.55 В;
• большие рабочие токи;
• хорошая электрическая емкость;
• длительный срок службы;
• не «текут» даже при полной разрядке;
• высокая стоимость.

Литиевые.
Самый, пожалуй, прогрессивный на сегодняшний день тип:

• ЭДС – от 1.5 до 3.7 в зависимости от материалов;
• большая электрическая емкость;
• большие разрядные токи;
• длительный (до 5 лет) срок службы;
• не «текут»;
• есть очень компактные модели;
• высокая стоимость.

Все вышеперечисленные гальванические элементы выпускаются разных типоразмеров. Солевые и щелочные типы, как правило (но не обязательно), имеют цилиндрическую форму. Литиевые кроме цилиндров могут выглядеть как маленькие диски, таблетки, параллелепипеды и пр.

Как составить схему гальванического элемента — задачи по химии

Качественно и полностью рассчитать гальванический элемент с требуемыми параметрами – задача сложная. Но подобрать материал электродов, тип электролита и составить схему сможет любой знакомый с химией. Для примера решим несколько подобных задач.

Задача 1.  Вычислить значение ЭДС гальванического элемента с электродами из магния и меди. Электролит – растворы сульфата меди и сульфата цинка. Составить схему элемента, написать химические процессы на электродах и общие процессы, генерирующие энергию.

Решение. По таблице стандартных электродных потенциалов находим потенциалы меди и магния:

Поскольку магний имеет более низкий потенциал, он является анодом. Составляем схему:

Описываем процессы на электродах и общие, генерирующие энергию:

Вычисляем стандартную ЭДС:

Задача решена.

Задача 2. Дано уравнение токообразующей реакции: Ni + СuSO4 = NiSO4 + Cu. Напишите уравнение процессов на электродах, рассчитайте ЭДС.

Решение. При помощи таблицы электродных потенциалов найдем потенциалы никеля меди:

Потенциал никеля ниже, следовательно, он является анодом. Составляем уравнения:

Составляем схему гальванического элемента:

Вычисляем стандартную ЭДС реакции:

Задача решена.

Как сделать ГЭ своими руками

Напоследок практикум. Попробуем самостоятельно собрать гальванический элемент, который можно использовать на практике. Остановимся на схеме Даниэля-Якоби. Его медно-цинковый элемент не только прост в повторении, но и не требует дефицитных компонентов. Тем не менее у этого источника питания неплохие характеристики:

• Ток короткого замыкания – 0.5 А.
• Электрическая емкость – 25-30 А*ч.
• Габариты – стеклянная банка емкостью 0.33 л.

Конструктивно наша батарейка будет иметь следующий вид: стеклянная банка, на дно которой насыпан медный купорос. В банку опущены электроды в виде цилиндров. Анод – алюминий, катод – медь. Между электродами установлена ионопроницаемая диафрагма. Сама банка заполнена двумя электролитами – раствором поваренной соли и раствором медного купороса.

Алгоритм изготовления ГЭ следующий:

1. Из тонкого медного листа изготавливается цилиндр по диаметру горлышка банки и высотой чуть ниже нее. На цилиндре необходимо предусмотреть ушки, которыми он будет подвешиваться к горлышку банки. Это катод – положительный вывод элемента.
2. Из плотного картона сшивается цилиндр по высоте чуть меньше высоты и диаметра медного цилиндра. К картонному цилиндру пришивается дно, все швы (но не сам стакан) герметизируются парафином. На цилиндр наматывается несколько слоев газетной бумаги, вымоченной в растворе поваренной соли. Для лучшей механической прочности полученную конструкцию можно обшить любой тканью. На верх стакана приклеивается или пришивается картонное кольцо, чтобы он не проваливался в банку. В кольце делается 2 отверстия. Одно для заливки воды в область между банкой и стаканом, второе – для ручки мешалки (о ее назначении – ниже). Перед использованием диафрагму нужно испытать, налив в нее раствор поваренной соли и оставив на несколько часов. Стакан не должен подтекать, а его наружная поверхность должна быть лишь слегка влажной.
3. Из тонкой цинковой жести изготавливается цилиндр высотой и диаметром чуть меньше стакана-диафрагмы. Это анод – отрицательный вывод гальванического элемента. На нем, как и на медном, необходимо предусмотреть ушки, за которые он будет подвешиваться на кольцо диафрагмы.

Вместо медного цилиндра можно использовать медный провод без изоляции и лака. Просто обматываете им стакан-диафрагму, предварительно вставив в нее оправку для жесткости, и качественный электрод готов.

Сборка

В банку насыпаем столовую ложку медного купороса, устанавливаем на место медный цилиндр. Опускаем в него мешалку. Устанавливаем внутрь медного цилиндра стакан-диафрагму, наполняем его раствором поваренной соли. В отверстие кольца диафрагмы осторожно наливаем воду. Опускаем в диафрагму цинковый цилиндр, и элемент готов. Осталось поработать мешалкой, чтобы часть купороса растворилась, подключить при помощи зажимов провода – положительный – к медному электроду, отрицательный – к цинковому.

Обслуживание элемента заключается в периодической смене электролита, промывке электродов и добавлении купороса по мере его расходования. Мешалка понадобится, если отдаваемый ток существенно упадет. Слегка взболтали медный купорос на дне, и все снова в порядке.

Электроды должны как можно ближе располагаться друг к другу – это уменьшит внутреннее сопротивление элемента, а значит, и отдаваемый им ток.

Для питания чего-нибудь существенного напряжения не хватит, но что мешает собрать батарею из нескольких таких элементов?

В этой конструкции катод выполнен обычным медным проводом со снятой изоляцией

А теперь пара вопросов.

Первый.
Вы наверняка заметили, что в характеристиках не указана ЭДС элемента. Предлагаем определить этот параметр самостоятельно. Заодно для практики составить его схему. Вы же знаете химические формулы поваренной соли (хлорид натрия) и медного купороса (сульфат меди)?

Второй.
Реально ли заменить цинк алюминием или свинцом и к каким последствиям это приведет?

Вот и все, что хотелось рассказать о гальванических элементах. Теперь вы знаете, какими они бывают, как работают, и даже можете собрать собственный источник энергии для неэлектрифицированной дачи. На приемник, светодиодный фонарь и зарядку мобильника этой энергии хватит на все лето.

Вы знаете, что такое электролиз? Да, это окислительно-восстановительный процесс, идущий под действием электрического тока. Конечно, с чего бы это вдруг сульфат меди в водном растворе стал разлагаться? Или расплав хлорида натрия, к примеру? А вот если пропустить через раствор или расплав электрический ток, то разложение любой соли, да и не только соли, происходит “на ура”. Электролиз протекает по своим законам. Они элементарны.

А вот что такое гальванический элемент и чем он отличается от электролизной ванны? А может, у них есть что-то общее? Разберёмся.

Гальванический элемент, а мы все знаем его по обычным батарейкам, топливным элементам, аккумуляторам сотовых телефонов и автомобильным аккумуляторам, это химический источник электрического тока. Электрический ток возникает в гальваническом элементе в результате протекания химической реакции. Поток электронов, переходящий от восстановителя к окислителю (помните электронный баланс?) движется по внешнему проводнику, то есть частично выводится из системы и питает потребителя, то есть используется во внешней цепи.

Другими словами, гальванический элемент — это устройство, в котором энергия окислительно-восстановительной химической реакции превращается в электрическую. Обратите внимание, при электролизе происходит обратный процесс – электрическая энергия превращается в энергию химической реакции. Понятно?

Самый простой гальванический элемент называется элементом Даниэля – Якоби и основан на очень простой окислительно-восстановительной реакции:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Ну, вы знаете, цинковую пластинку помещают в голубой раствор сульфата меди, со временем голубой цвет исчезает, а цинковая пластинка покрывается розовым медным налётом. Окисляется цинк, его можно смело назвать анодом, а восстанавливается медь и она – катод.

Так вот, в гальваническом элементе анодное и катодное пространство разделены.

Металлическая пластинка, опущенная в раствор соли своего металла, называется электродом. Цинковый и медный электроды соединены внешним металлическим проводником, по которому электроны движутся от цинкового анода к медному катоду.

С другой стороны, нужен солевой мостик, по которому в обратном направлении перетекают сульфат-ионы. Потому что они становятся нужны в прианодном пространстве для сохранения баланса зарядов, ведь на катоде будет скапливаться избыточный отрицательный заряд, а на аноде – положительный. Этот заряд будет противодействовать потоку электронов и в какой-то момент (очень скоро) поток электронов прекратится и работа гальванического элемента остановится.

Солевой мостик в самом простом исполнении – это изогнутая полая трубочка, наполненная электролитом. Как на картинке выше. Однако, это может быть и мембрана, и пористый материал, и даже фильтровальная бумага – всё зависит от конструкции самого гальванического элемента. Задача солевого моста – обеспечить движение ионов и сохранять баланс зарядов внутри гальванического элемента.

На аноде, как и в случае электролиза, происходит процесс окисления. Однако, заряд анода здесь – отрицательный. Катодный процесс – восстановление, но знак заряда катода – положительный.

В этом – отличие от электролиза.

Итак, разные задачи у электролиза и гальванического элемента – это разное их устройство. Но в основе и того, и другого – окислительно-восстановительная реакция и электродные процессы: катодный – восстановление и анодный – окисление.

Гальванические элементы могут быть разными, электрическая энергия может быть добыта с помощью самых разных окислительно-восстановительных процессов. Достаточно вспомнить лишь названия – свинцовый аккумулятор, литий-ионный аккумулятор, марганцево-цинковый элемент…

Вот так устроен обычный свинцовый аккумулятор:

Марганцево-цинковый элемент, его ещё называют элементом Лекланше, это химический источник тока, в котором катодом является диоксид марганца MnO2 в смеси с графитом (около 9,5 %), электролитом — раствор хлорида аммония NH4Cl, а анодом — металлический цинк. Вот как он устроен:

В наше время самыми распространёнными аккумуляторами являются литий-ионные элементы питания. Они везде – в сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, электромобилях. Совсем недавно, в 2019 году трое учёных – Уиттингем, Гуденаф и Ёсино даже получили Нобелевскую премию по химии с формулировкой «За развитие литий-ионных аккумуляторов».

Устройство литий-ионного аккумулятора более сложное и тонкое. Во многом даже микроскопическое. Катодный материал помещён на алюминиевую фольгу, анодный – на медную. Катодное и анодное пространства разделены пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус часто оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет свойство внедряться в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMnO2) и соли металлов.

Вот так работают наши телефоны, компьютеры и прочие блага цивилизации. С помощью химических источников электрической энергии.