Устройство, в котором химическая энергия преобразуется в электрическую, называется гальваническим элементом.
Примером гальванического элемента служит элемент Даниэля-Якоби, который состоит из цинкового и медного электродов, находящихся в замкнутой электрической цепи. Цинковый электрод состоит из цинковой пластины, опущенной в раствор ZnSO4. Медный электрод – медная пластина, погруженная в раствор CuSO4. Растворы отделены друг от друга пористой перегородкой, через которую из одного раствора в другой проникают ионы (внутренняя цепь).
При работе гальванического элемента на цинковом электроде происходит реакция окисления (цинковая пластина растворяется):
Zn – 2e–® Zn2+.
Электроны по внешней цепи (1) перемещаются от цинкового электрода к медному. Избыток электронов придает пластине отрицательный заряд. На медном электроде идет реакция восстановления ионов меди (медь осаждается на пластине). Медная пластина заряжается положительно и масса ее увеличивается. По внутренней цепи (2) перемещаются ионы. Процессы, протекающие в гальваническом элементе, описываются суммарной реакцией:
Zn + Cu2+ D Zn2+ + Cu.
Если во внешнюю цепь включить гальванометр, то он покажет величину тока, который протекает в цепи. Ток в гальваническом элементе протекает в результате возникновения разности потенциалов (ЭДС) между цинковым и медным электродами. Величина ЭДС определяется скачками потенциалов на границе раздела металл – раствор его соли, а также диффузионным потенциалом, возникающим на границе контакта двух растворов.
Zn
Cu
ZnSO4
CuSO4
ä
е
Zn2+
Cu2+
Диффузионный потенциал обусловлен различной подвижностью ионов, перемещающихся через перегородку. Наличие диффузионного потенциала снижает точность измерений, и его стараются устранить. Для этого на границе двух растворов помещают солевой мостик, заполненный концентрированным раствором KCl или NH4NO3. В этом случае диффузионный потенциал на границе между солевым мостиком и раствором определяется диффузией ионов К+, Cl- или NH4+, NO3–. Уменьшение диффузионного потенциала объясняется близкими подвижностями и числами переноса ионов указанных солей.
Устройство гальванического элемента изображают условно:
(–) Zn/ZnSO4//CuSO4/Cu (+).
Ме раствор раствор Ме
Принято слева записывать электрод, на котором идет реакция окисления (отрицательный электрод), а справа электрод, на котором идет реакция восстановления (положительный электрод). Одна вертикальная линия указывает, на то, что между фазами имеется контакт, а две линии означают, что прямого контакта между фазами нет, т.е. растворы соединены электролитическим мостиком.
