Гальванические элементы
Разделение зарядов можно осуществить за счёт использования энергии химических реакций, происходящих в электролитах (водных растворах солей, кислот и щелочей) при опускании в них двух электродов, выполненных из различных материалов.
В электролитах перенос зарядов осуществляется электрически заряженными частицами – положительными и отрицательными ионами растворенного вещества, образующимися в электролите благодаря ослаблению электрических сил сцепления внутри молекул растворённого вещества под действием молекул воды. Например, молекула серной кислоты в растворе распадается на положительно заряженный ион водорода и отрицательно заряженный ион кислотного остатка. Этот процесс записывается так:
H2 SO4 =H2+ + + SO4¯ ¯.
Значок (+ +) над ионом водорода означает, что в ионе водорода, состоящем из двух атомов, недостаёт двух электронов для превращения его в молекулу. Заряд иона водорода равен двум положительным элементарным зарядам.
Ион кислотного остатка SO4¯ ¯, захвативший лишние два электрона от атомов водорода, имеет суммарный отрицательный заряд, равный двум элементарным зарядам избыточных электронов.
В целом электролит остаётся электрически нейтральным.
Если в электролит (раствор серной кислоты) погрузить электроды, выполненные один из меди, а другой из цинка, то благодаря своей активности часть атомов цинка соединяется с ионами кислотного остатка, имеющими по два лишних электрона. При этом каждому атому цинка, чтобы вступить в реакцию, приходится «оставить» на электроде два своих электрона. Реакция соединения цинка с кислотным остатком может быть записана в следующем виде:
Zn – 2 электрона = Zn + +
Zn+ + + SO4¯ ¯ = ZnSO4 ;
Таким образом, цинк в виде положительных ионов переходит в раствор электролита. В результате этого цинковый электрод заряжается отрицательно и станет отталкивать от себя отрицательные ионы, препятствуя дальнейшему растворению цинка в кислоте.
Положительные ионы водорода Н++, отталкиваясь от ионов цинка, переместятся к медному электроду. Таким образом, цинковый электрод оказывается наэлектризованным отрицательно, а электролит – положительно, т. е. он обладает избыточным положительным зарядом (в виде ионов Zn++).
Если теперь соединить электроды проводником, по проводнику потечёт ток, вызванный перемещением лишних электронов с цинкового электрода на медный, и реакции в электролите возобновятся: цинк станет растворяться в кислоте, отдавая во внешнюю цепь всё новые и новые электроны, и эти электроны, переходя на медный электрод, станут превращать ионы водорода в атомы.
Таким образом, в результате химических реакций между электролитом и двумя разнородными электродами во внешней цепи установится электрический ток.
Источник тока, состоящий из двух разнородных электродов, погружённых в электролит, и работающий без дополнительного внешнего вмешательства, называется гальваническим элементом.
Примерные контрольные вопросы
1. Какими частицами осуществляется перенос зарядов в электролитах?
2. На какие заряды распадается молекула серной кислоты при растворении в воде?
3. Какие процессы начинаются в электролите при погружении в него двух электродов, один из цинка, другой из меди? Записать эти процессы в математическом выражении.
4. Что является результатом процессов, протекающих в электролите при погружении в него электродов?
5. Какие возникают процессы, если электроды соединить проводником?
6. Что называется гальваническим элементом?
2. Гальванические элементы, применяемые в технике
Простейший гальванический элемент, состоящий из медного и цинкового электродов, погружённых в раствор серной кислоты, обладает большим недостатком. При работе такого элемента водород, выделяющийся на медном электроде, покрывает его тонкой газовой плёнкой – происходит поляризация элемента. Эта плёнка препятствует проникновению ионов Н2++ к поверхности медного электрода, в результате чего внутренне сопротивление элемента сильно увеличивается.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.