Εκτός από την ηλεκτρόλυση, είναι δυνατή μια άλλη επιλογή για την εμφάνιση μιας αντίδρασης οξειδοαναγωγής. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια από τον αναγωγικό παράγοντα στον οξειδωτικό παράγοντα περνούν μέσω ενός μεταλλικού αγωγού μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος. Ως αποτέλεσμα, ένα ηλεκτρικό ρεύμα προκύπτει στο εξωτερικό κύκλωμα και μια τέτοια συσκευή ονομάζεται γαλβανικό στοιχείο.Τα γαλβανικά κύτταρα είναι χημικές πηγές ρεύματος- συσκευές για την άμεση μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια, παρακάμπτοντας τις άλλες μορφές της.
Τα γαλβανικά κύτταρα που βασίζονται σε διάφορα μέταλλα και τις ενώσεις τους έχουν βρει ευρεία πρακτική εφαρμογή ως πηγές χημικού ρεύματος.

Σε ένα γαλβανικό στοιχείο, η χημική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Το απλούστερο γαλβανικό στοιχείο αποτελείται από δύο δοχεία με διαλύματα CuSO 4 και ZnSO 4, στα οποία βυθίζονται πλάκες χαλκού και ψευδαργύρου, αντίστοιχα. Τα αγγεία συνδέονται μεταξύ τους με ένα σωλήνα που ονομάζεται γέφυρα αλατιού, γεμάτο με διάλυμα ηλεκτρολύτη (για παράδειγμα, KCl). Ένα τέτοιο σύστημα ονομάζεται γαλβανικό στοιχείο χαλκού-ψευδάργυρου.

Σχηματικά, οι διεργασίες που συμβαίνουν σε ένα γαλβανικό στοιχείο χαλκού-ψευδάργυρου ή, με άλλα λόγια, το διάγραμμα ενός γαλβανικού στοιχείου παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα.

Διάγραμμα γαλβανικών κυττάρων

Η διαδικασία οξείδωσης ψευδαργύρου λαμβάνει χώρα στην άνοδο:

Zn - 2e - = Zn 2+.

Ως αποτέλεσμα αυτού, τα άτομα ψευδαργύρου μετατρέπονται σε ιόντα, τα οποία πηγαίνουν σε διάλυμα, και η άνοδος ψευδαργύρου διαλύεται και η μάζα της μειώνεται. Σημειώστε ότι η άνοδος σε ένα γαλβανικό στοιχείο είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο (λόγω των ηλεκτρονίων που λαμβάνονται από τα άτομα ψευδαργύρου) σε αντίθεση με τη διαδικασία ηλεκτρόλυσης όπου συνδέεται με τον θετικό ακροδέκτη της εξωτερικής μπαταρίας.

Τα ηλεκτρόνια από άτομα ψευδαργύρου κινούνται μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος (μεταλλικού αγωγού) προς την κάθοδο, όπου λαμβάνει χώρα η διαδικασία αναγωγής των ιόντων χαλκού από ένα διάλυμα του άλατος του:

Cu 2+ + 2е – = Cu.

Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται άτομα χαλκού, τα οποία εναποτίθενται στην επιφάνεια της καθόδου και η μάζα της αυξάνεται. Η κάθοδος σε ένα γαλβανικό στοιχείο είναι ένα θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο.

Η συνολική εξίσωση για την αντίδραση που λαμβάνει χώρα σε ένα γαλβανικό στοιχείο χαλκού-ψευδάργυρου μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu.

Μάλιστα, συμβαίνει η αντίδραση αντικατάστασης του χαλκού με ψευδάργυρο στο άλας του. Η ίδια αντίδραση μπορεί να πραγματοποιηθεί με άλλο τρόπο - βυθίστε μια πλάκα ψευδαργύρου σε διάλυμα CuSO 4. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζονται τα ίδια προϊόντα - ιόντα χαλκού και ψευδαργύρου. Αλλά η διαφορά μεταξύ της αντίδρασης σε ένα γαλβανικό στοιχείο χαλκού-ψευδάργυρου είναι ότι οι διαδικασίες απώλειας και κέρδους ηλεκτρονίων διαχωρίζονται χωρικά. Οι διαδικασίες απελευθέρωσης ηλεκτρονίων (οξείδωση) και προσθήκης (αναγωγής) ηλεκτρονίων δεν συμβαίνουν σε άμεση επαφή του ατόμου Zn με το ιόν Cu 2+, αλλά σε διαφορετικά σημεία του συστήματος - αντίστοιχα, στην άνοδο και την κάθοδο, που είναι συνδεδεμένο με μεταλλικό αγωγό. Με αυτή τη μέθοδο διεξαγωγής αυτής της αντίδρασης, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από την άνοδο προς την κάθοδο κατά μήκος ενός εξωτερικού κυκλώματος, το οποίο είναι ένας μεταλλικός αγωγός. Μια κατευθυνόμενη και διατεταγμένη ροή φορτισμένων σωματιδίων (σε αυτή την περίπτωση ηλεκτρονίων) είναι ηλεκτρική ενέργεια. Ένα ηλεκτρικό ρεύμα προκύπτει στο εξωτερικό κύκλωμα του γαλβανικού στοιχείου. Πρέπει να ενεργοποιήσετε το JavaScript για να ψηφίσετε

O.S.ZAYTSEV

ΒΙΒΛΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ

ΓΙΑ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΥΣ Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης,
ΦΟΙΤΗΤΕΣ ΠΑΙΔΑΓΩΓΙΚΩΝ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΩΝ ΚΑΙ ΜΑΘΗΤΩΝ 9-10 ΤΑΞΕΩΝ,
ΠΟΙΟΙ ΑΠΟΦΑΣΙΣΑΝ ΝΑ ΑΦΟΣΙΩΘΟΥΝ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΚΑΙ ΤΗ ΦΥΣΙΚΗ ΕΠΙΣΤΗΜΗ

ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΧΟΛΙΚΟΥ ΒΙΒΛΙΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΙΣΤΟΡΙΕΣ ΓΙΑ ΑΝΑΓΝΩΣΗ

Συνέχιση. Βλέπε Νο. 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44, 46, 47/2003;
1, 2, 3, 4, 5, 7, 11, 13, 14, 16, 17, 20, 22, 24, 29, 30, 31, 34/2004

§ 8.2. Αντιδράσεις στη διεπαφή μετάλλου-διαλύματος

(συνέχιση)

Ας φτιάξουμε ένα κύκλωμα από δύο ηλεκτρόδια, για παράδειγμα, χαλκό και ψευδάργυρο. Ας συζητήσουμε τρεις επιλογές για ένα τέτοιο γαλβανικό στοιχείο.
Ας πούμε αμέσως ότι η πρώτη επιλογή δεν θα μας ενδιαφέρει. Ας χαμηλώσουμε τις πλάκες ψευδαργύρου και χαλκού σε ένα ποτήρι με ένα διάλυμα από τα άλατά τους - ψευδάργυρο και θειικό χαλκό (Εικ. 8.6). Ας συνδέσουμε τα ηλεκτρόδια με αγωγούς μέσω μιας συσκευής για τη μέτρηση της τάσης - ένα βολτόμετρο, το οποίο υποδεικνύεται στο σχήμα με το σύμβολο "B".

Τόσο ο ψευδάργυρος όσο και ο χαλκός στέλνουν τα ιόντα τους στο διάλυμα, αλλά η ισορροπία των αντίστοιχων αντιδράσεων μετατοπίζεται προς τα μέταλλα, αφού δεν βρίσκονται σε καθαρό νερό, αλλά σε διάλυμα που περιέχει ιόντα αυτών των μετάλλων. Παρόλα αυτά, ο ψευδάργυρος έχει μεγαλύτερη ικανότητα να στέλνει ιόντα στο διάλυμα και έχει υψηλότερο αρνητικό δυναμικό ηλεκτροδίων. Επομένως, τα ιόντα χαλκού θα σπεύσουν στο ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου και ο χαλκός σχηματίζεται στον ψευδάργυρο:

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu.

Η μετάβαση των ηλεκτρονίων συμβαίνει απευθείας στην επιφάνεια του ψευδαργύρου, δεν προκύπτει διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών και το βολτόμετρο δεν θα δείξει τάση.
Ας αλλάξουμε την εμπειρία. Ας τοποθετήσουμε ένα χώρισμα από πορώδες κεραμικό στο δοχείο (Εικ. 8.7).

Τα ηλεκτρόνια αφήνουν τον ψευδάργυρο και ταξιδεύουν κατά μήκος ενός αγωγού μέσω ενός βολτόμετρου προς τον χαλκό, όπου αλληλεπιδρούν με ιόντα χαλκού, με αποτέλεσμα ο χαλκός να εναποτίθεται στο ηλεκτρόδιο χαλκού. Ταυτόχρονα, ιόντα ψευδαργύρου περνούν στο διάλυμα.
Το πορώδες χώρισμα χρησιμεύει για να εμποδίζει τα ιόντα χαλκού να πλησιάσουν τον ψευδάργυρο και έτσι να εμποδίζει την άμεση μεταφορά ηλεκτρονίων από τον ψευδάργυρο στα ιόντα χαλκού αντί μέσω του αγωγού. Καθώς η αντίδραση εξελίσσεται, τα ιόντα ψευδαργύρου μετακινούνται από τον ψευδάργυρο στον χαλκό, και το ίδιο συμβαίνει με τα ιόντα χαλκού.
Ένα πορώδες διάφραγμα δεν εμποδίζει την καλή ανάμειξη των διαλυμάτων και, επιπλέον, η κατασκευή αγγείων με πορώδες διάφραγμα είναι δύσκολη, επομένως μπορείτε να προχωρήσετε ως εξής. Ας πάρουμε δύο ποτήρια, ρίχνουμε μέσα τους διαλύματα, τα οποία θα συνδέσουμε με μια ηλεκτρολυτική γέφυρα - έναν γυάλινο σωλήνα σχήματος U γεμάτο με ένα κορεσμένο διάλυμα χλωριούχου καλίου (Εικ. 8.8).
Βαμβακερές μπατονέτες εισάγονται στα άκρα των σωλήνων για να αποτρέψουν τη διαρροή υγρού έξω από τη γέφυρα.

Έτσι, το πορώδες χώρισμα αντικαθίσταται από μια ηλεκτρολυτική γέφυρα. Σε αυτό, τα ιόντα χλωρίου κινούνται προς το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου και τα ιόντα καλίου κινούνται προς το ηλεκτρόδιο χαλκού. Η γέφυρα διαχωρίζει τους χώρους των ηλεκτροδίων, αποτρέπει την ηλεκτρική αγωγιμότητα λόγω της κίνησης ιόντων ψευδαργύρου και χαλκού και μειώνει το δυναμικό που προκύπτει όταν δύο διαφορετικά διαλύματα έρχονται σε επαφή. Επιπλέον δυναμικό προκύπτει επίσης όταν τα ιόντα κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες και τα ιόντα καλίου και τα ιόντα χλωρίου κινούνται σχεδόν με τις ίδιες ταχύτητες.
Ας φτιάξουμε ένα κύκλωμα (βλ. Εικ. 8.8) από τυπικά ηλεκτρόδια χαλκού και ψευδαργύρου (η συγκέντρωση των μεταλλικών ιόντων στα διαλύματα είναι 1 mol/l). Ας προσδιορίσουμε την κατεύθυνση της αντίδρασης σε αυτό το γαλβανικό στοιχείο και το EMF του:

Το δυναμικό του ηλεκτροδίου ψευδαργύρου έχει αρνητικό πρόσημο και το δυναμικό του ηλεκτροδίου χαλκού έχει θετικό πρόσημο. Κατά συνέπεια, το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου έχει μεγαλύτερη ικανότητα να δίνει ηλεκτρόνια και θα λάβει χώρα μια αντίθετα κατευθυνόμενη αντίδραση σε αυτό και το ηλεκτρόδιο χαλκού θα δέχεται ηλεκτρόνια:

Έτσι, αν βυθίσουμε ένα κομμάτι μετάλλου ψευδάργυρου σε διάλυμα θειικού χαλκού, τότε ο ψευδάργυρος θα μπει στο διάλυμα με τη μορφή ιόντων και ταυτόχρονα θα εναποτεθεί πάνω του ένα στρώμα χαλκού.
Στον κατάλογο των δυναμικών ηλεκτροδίων υπάρχει μια αντίδραση:

2Η + (10 -7 Μ, νερό) + 2 μι= H 2 (g.), μι= –0,41 V.

Αυτό είναι το δυναμικό ενός ηλεκτροδίου υδρογόνου στο νερό. Όλα τα μέταλλα που βρίσκονται στην παραπάνω λίστα και των οποίων τα δυναμικά ηλεκτροδίων έχουν υψηλότερες αρνητικές τιμές πρέπει να αντιδράσουν με το νερό («διαλυθούν») για να σχηματίσουν υδρογόνο. Ξέρετε όμως πολύ καλά ότι ο σίδηρος, το χρώμιο, ο ψευδάργυρος και το αλουμίνιο δεν αντιδρούν με το νερό υπό κανονικές συνθήκες. Το μαγνήσιο αντιδρά με ζεστό νερό και το νάτριο, το ασβέστιο, το κάλιο και το λίθιο αντιδρούν με το νερό υπό κανονικές συνθήκες. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι οι κακοδιαλυτές μεμβράνες οξειδίων σχηματίζονται σε σίδηρο, χρώμιο, ψευδάργυρο και αλουμίνιο, εμποδίζοντας την πρόσβαση του νερού στο μέταλλο. Όταν αφαιρεθεί το στρώμα οξειδίου, αρχίζει η αλληλεπίδραση αυτών των μετάλλων με το νερό. Οξείδια ή υδροξείδια νατρίου, ασβεστίου, καλίου, λιθίου είναι διαλυτά στο νερό και δεν προστατεύουν τα μέταλλα από την επαφή με το νερό.
Για τις αντιδράσεις ηλεκτροδίων, τα δυναμικά και το emf, ισχύουν όλοι οι τύποι που αντλήσαμε προηγουμένως για τις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής:

G=–nEF= Ν – Τμικρό = –RT ln Κ=–nE 96 484 = –2,303 8,314 Τ lg ΠΡΟΣ ΤΗΝ.

Κατά τον υπολογισμό της σταθεράς ισορροπίας, να θυμάστε ότι οι κρυσταλλικές φάσεις (μέταλλα) δεν γράφονται στην έκφραση της σταθεράς ισορροπίας, επειδή η συγκέντρωση μιας κρυσταλλικής ουσίας δεν εξαρτάται από την ποσότητα της, δηλ. είναι σταθερή. Για παράδειγμα:

Τα δυναμικά ηλεκτροδίων και το emf των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων εξαρτώνται πολύ από τις συγκεντρώσεις ιόντων και το pH του μέσου. Επομένως, η κατεύθυνση της διαδικασίας που συχνά προβλέπεται για τυπικές συνθήκες δεν συμπίπτει με αυτή που συμβαίνει κάτω από αυτές τις συνθήκες.

Για πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο προσδιορισμού της κατεύθυνσης μιας αντίδρασης υπό μη τυπικές συνθήκες, ανατρέξτε στα εγχειρίδια χημείας για το γυμνάσιο.

Λίστα νέων και ξεχασμένων εννοιών και λέξεων

Χημικές πηγές ηλεκτρικού ρεύματος ή γαλβανικών στοιχείωνμετατρέπουν την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τις αντιδράσεις οξειδοαναγωγής σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα γαλβανικά κύτταρα χρησιμεύουν ως πηγές συνεχούς ρεύματος. Χωρίζονται σε χημική ουσίαΚαι συγκέντρωση.

Το απλούστερο χημικό γαλβανικό στοιχείο μπορεί να αποτελείται από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια που έχουν διαφορετικά δυναμικά ηλεκτροδίων και συνδέονται σε ένα κλειστό κύκλωμα.

Στο ηλεκτρόδιο που έχει χαμηλότερο δυναμικό ηλεκτροδίου, θα συμβεί η διαδικασία οξείδωσης. Αυτό το ηλεκτρόδιο ονομάζεται διαφορετικά άνοδος.

Στο ηλεκτρόδιο που έχει υψηλότερη τιμή δυναμικού ηλεκτροδίου, θα συμβεί η διαδικασία αναγωγής. Αυτό το ηλεκτρόδιο ονομάζεται διαφορετικά κάθοδος.

Ας εξετάσουμε λεπτομερέστερα την αρχή λειτουργίας των γαλβανικών στοιχείων χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ενός στοιχείου που αποτελείται από ηλεκτρόδια ψευδαργύρου και χαλκού. Αυτό το στοιχείο ονομάζεται διαφορετικά Στοιχείο Jacobi-Daniel (Εικ. 94).

Ρύζι. 94. Σχέδιο γαλβανικής κυψέλης χαλκού-ψευδάργυρου

Κάθε ηλεκτρόδιο αποτελείται από μια μεταλλική πλάκα βυθισμένη σε διάλυμα άλατος: ZnSO 4 και CuSO 4, αντίστοιχα.

Τα διαλύματα αλάτων διαχωρίζονται μεταξύ τους με ένα πορώδες χώρισμα, μέσα από το οποίο μπορούν εύκολα να περάσουν τα μεταλλικά ιόντα και το SO 4 2-. Συχνά, αντί για ένα πορώδες διαμέρισμα, " γέφυρα αλατιού » – ένας κυρτός γυάλινος σωλήνας γεμάτος με κορεσμένο διάλυμα KCl (Εικ. 95). Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόδια δεν έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, καθένα από αυτά βρίσκεται σε ξεχωριστό δοχείο, το οποίο συνδέεται χρησιμοποιώντας μια γέφυρα αλατιού.

Ρύζι. 95. Διάγραμμα στοιχείου χαλκού-ψευδάργυρου με γέφυρα αλατιού: 1 – πλάκα ψευδαργύρου; 2 – χάλκινη πλάκα. 3 – αλατισμένη γέφυρα

Σε αυτή την περίπτωση, λαμβάνει χώρα μια διαδικασία οξείδωσης στο ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου:

Zn 0 – 2ē = Zn 2+,

με αποτέλεσμα τα ιόντα ψευδαργύρου από την πλάκα να περνούν στο διάλυμα. Η περίσσεια ηλεκτρονίων διέρχεται μέσω του μεταλλικού αγωγού από την πλάκα ψευδαργύρου στη χάλκινη πλάκα και μειώνει τα ιόντα Cu 2+ που περιέχονται στο διάλυμα

Cu 2+ + 2ē = Cu 0,

τα οποία επικάθονται στην πλάκα με τη μορφή ουδέτερων ατόμων. Τα υπόλοιπα ελεύθερα θειικά ιόντα του ηλεκτροδίου χαλκού και η περίσσεια ιόντων Zn 2+ του ηλεκτροδίου ψευδαργύρου μετακινούνται το ένα προς το άλλο μέσω ενός πορώδους διαχωρισμού ή γέφυρας άλατος. Έτσι, ηλεκτρικά φορτία μεταφέρονται στο κύκλωμα και προκύπτει ηλεκτρικό ρεύμα.

Σε αυτό το στοιχείο, η ηλεκτρική ενέργεια λαμβάνεται ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης.

Zn + CuSO 4 = Cu + ZnSO 4

Το κύριο χαρακτηριστικό μιας γαλβανικής κυψέλης είναι ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) , από το οποίο εξαρτάται η ισχύς του ρεύματος στο κύκλωμα. Είναι ίσο με τη διαφορά δυναμικού ηλεκτροδίου

e.m.f. = Ε 2 – Ε 1

όπου Ε 1 και Ε 2 είναι το δυναμικό της ανόδου και της καθόδου, αντίστοιχα.

Για ένα γαλβανικό στοιχείο Jacobi-Daniel, η ηλεκτροκινητική δύναμη είναι

e.m.f. = E Cu – E Zn

Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή emf. στοιχείο, τόσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα στο κύκλωμά του.

Σύμφωνα με την εξίσωση Nernst, το δυναμικό των ηλεκτροδίων χαλκού και ψευδαργύρου υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τους τύπους:

E Cu = E Cu 0 +

E Zn = E Zn 0 +

Αφαιρώντας τη δεύτερη εξίσωση από την πρώτη παίρνουμε μια έκφραση για τον υπολογισμό του emf. γαλβανικό στοιχείο χαλκού-ψευδάργυρου

e.m.f. = E Cu 0 – E Zn 0 + =

E Cu 0 – E Zn 0 +

Για οποιοδήποτε άλλο στοιχείο που αποτελείται από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια και του οποίου η λειτουργία βασίζεται σε μια χημική αντίδραση, η ηλεκτροκινητική δύναμη μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:

e.m.f. = E 2 0 – E 1 0 +

όπου E 2 0 και E 1 0 είναι τα τυπικά δυναμικά ηλεκτροδίων της καθόδου και της ανόδου, αντίστοιχα. n 2 και n 1 - οι τιμές των φορτίων των ιόντων που συμμετέχουν στις ημι-αντιδράσεις που συμβαίνουν στην κάθοδο και την άνοδο. a 2 και a 1 – δραστηριότητες μεταλλικών ιόντων σε διαλύματα στην κάθοδο και στην άνοδο, αντίστοιχα).

Για θερμοκρασία 298 K, όταν αντικαθιστούμε τις τιμές των σταθερών R και F και όταν μετακινούμαστε από τον φυσικό λογάριθμο στον δεκαδικό, η εξίσωσή μας θα γραφτεί διαφορετικά:

e.m.f. = E 2 0 – E 1 0 + 0,059

Τα γαλβανικά κύτταρα μπορούν να χαρακτηριστούν με τη μορφή διαγράμματος. Στα αριστερά είναι συνήθως ένα ηλεκτρόδιο ή μισό στοιχείο με χαμηλότερο δυναμικό ηλεκτροδίου (άνοδος) και στα δεξιά - με υψηλότερο δυναμικό ηλεκτροδίου (κάθοδος).

Κατά την εγγραφή ηλεκτροδίων, υποδείξτε πρώτα τη στερεή φάση (για παράδειγμα, μέταλλο στην περίπτωση ηλεκτροδίου μετάλλου ή οξειδοαναγωγής) και στη συνέχεια - ουσίες διαλυμένες στην υγρή φάση. Οι φάσεις χωρίζονται μεταξύ τους με μία κάθετη γραμμή. Εάν μια φάση περιέχει πολλά στοιχεία, γράφονται χωρισμένα με κόμμα.

Η διεπαφή μεταξύ των διαλυμάτων δύο ηλεκτροδίων απεικονίζεται με μια διακεκομμένη κάθετη γραμμή ή δύο συμπαγείς γραμμές ½½ (εάν τα διαλύματα χωρίζονται μεταξύ τους με μια γέφυρα αλατιού).

Σύμφωνα με τους παραπάνω κανόνες, το κύκλωμα στοιχείων Jacobi-Daniel μοιάζει με αυτό:

Zn ½ ZnSO 4 ½½ CuSO 4 ½ Cu

Ένα γαλβανικό στοιχείο μπορεί επίσης να αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια οξειδοαναγωγής που έχουν διαφορετικές τιμές δυναμικού οξειδοαναγωγής. Τέτοια στοιχεία ονομάζονται αλλιώς οξειδοαναγωγικά γαλβανικά κύτταρα. Ανήκουν επίσης σε χημικά γαλβανικά κύτταρα, γιατί Η δράση τους βασίζεται σε μια χημική αντίδραση.

Ένα γαλβανικό στοιχείο, στο οποίο η πηγή ενέργειας δεν είναι μια χημική αντίδραση, αλλά το έργο της εξίσωσης των συγκεντρώσεων (δραστηριοτήτων) των ιόντων, ονομάζεται κυψέλη συγκέντρωσης. . Μπορεί να αποτελείται από δύο πανομοιότυπα μεταλλικά ηλεκτρόδια βυθισμένα σε διαλύματα του ίδιου άλατος, αλλά με διαφορετικές συγκεντρώσεις (δραστηριότητες) μεταλλικών ιόντων (Εικ. 96), για παράδειγμα:

Zn ½ ZnSO 4 ½½ ZnSO 4 ½ Zn ή Ag ½ AgNO 3 ½½ AgNO 3 ½ Ag

Ρύζι. 96. Αλυσίδα συγκέντρωσης ψευδαργύρου: M – γέφυρα άλατος που περιέχει χλωριούχο κάλιο

Το ηλεκτρόδιο που βρίσκεται σε πιο αραιό διάλυμα διαλύεται, τα ιόντα του περνούν στο διάλυμα:

Cu – 2ē ® Cu 2+

Ag – ē ® Ag +

Το ίδιο το ηλεκτρόδιο φορτίζεται αρνητικά.

Αντίθετα, τα μεταλλικά ιόντα εναποτίθενται σε ένα ηλεκτρόδιο βυθισμένο σε ένα πιο συμπυκνωμένο διάλυμα και αυτό φορτίζεται θετικά. Έτσι, διεργασίες λαμβάνουν χώρα και στα δύο ηλεκτρόδια που οδηγούν σε εξίσωση της συγκέντρωσης των μεταλλικών ιόντων στα διαλύματα.

Τα δυναμικά των ηλεκτροδίων είναι ίσα:

E 1 = E 0 + ; E 2 = E 0 +

Αφαιρώντας την πρώτη εξίσωση από τη δεύτερη παίρνουμε τον τύπο για τον υπολογισμό του emf. από το στοιχείο συγκέντρωσης:

e.m.f. = E 2 – E 1 =

Το στοιχείο συγκέντρωσης θα λειτουργεί έως ότου οι δραστηριότητες των μεταλλικών ιόντων και στα δύο διαλύματα είναι ίσες. όταν a 1 = a 2 του emf. θα είναι ίσο με 0.

Η εμφάνιση του e. δ.σ. σε μια γαλβανική κυψέλη.Το απλούστερο γαλβανικό στοιχείο χαλκού-ψευδαργύρου Volta (Εικ. 156) αποτελείται από δύο πλάκες (ηλεκτρόδια): ψευδάργυρο 2 (κάθοδος) και χαλκό 1 (άνοδος), βυθισμένο στον ηλεκτρολύτη 3, ο οποίος είναι ένα υδατικό διάλυμα θειικού οξέος H 2 S0 4 . Όταν το θειικό οξύ διαλύεται στο νερό, λαμβάνει χώρα μια διαδικασία ηλεκτρολυτικής διάστασης, δηλ. μερικά από τα μόρια του οξέος αποσυντίθενται σε θετικά ιόντα υδρογόνου H 2 + και αρνητικά ιόντα του υπολείμματος οξέος S0 4 -. Ταυτόχρονα, το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου διαλύεται σε θειικό οξύ. Όταν αυτό το ηλεκτρόδιο διαλύεται, τα θετικά ιόντα ψευδαργύρου Zn+ εισέρχονται στο διάλυμα και συνδυάζονται με αρνητικά ιόντα SO 4 - ένα όξινο υπόλειμμα, σχηματίζοντας ουδέτερα μόρια θειικού ψευδαργύρου ZnS04. Σε αυτή την περίπτωση, τα υπόλοιπα ελεύθερα ηλεκτρόνια θα συσσωρευτούν στο ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου, με αποτέλεσμα αυτό το ηλεκτρόδιο να αποκτήσει αρνητικό φορτίο. Ένα θετικό φορτίο σχηματίζεται στον ηλεκτρολύτη λόγω της εξουδετέρωσης ορισμένων από τα αρνητικά ιόντα S0 4. Έτσι, στο οριακό στρώμα μεταξύ του ηλεκτροδίου ψευδαργύρου και του ηλεκτρολύτη, προκύπτει μια ορισμένη διαφορά δυναμικού και δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο εμποδίζει την περαιτέρω μετάβαση θετικών ιόντων ψευδαργύρου στον ηλεκτρολύτη. σε αυτή την περίπτωση, η διάλυση του ηλεκτροδίου ψευδαργύρου σταματά. Το ηλεκτρόδιο χαλκού πρακτικά δεν διαλύεται στον ηλεκτρολύτη και αποκτά το ίδιο θετικό δυναμικό με τον ηλεκτρολύτη. Πιθανή διαφορά χαλκού; Cu και ψευδάργυρος; Ο Zn των ηλεκτροδίων με ανοιχτό εξωτερικό κύκλωμα είναι e. δ.σ. Ε του υπό εξέταση γαλβανικού στοιχείου.

Το emf που δημιουργείται από ένα γαλβανικό στοιχείο εξαρτάται από τις χημικές ιδιότητες του ηλεκτρολύτη και των μετάλλων από τα οποία κατασκευάζονται τα ηλεκτρόδια. Συνήθως επιλέγονται τέτοιοι συνδυασμοί μετάλλων και ηλεκτρολύτη στους οποίους π.χ. δ.σ. το μεγαλύτερο, αλλά σχεδόν σε όλα τα χρησιμοποιούμενα στοιχεία δεν υπερβαίνει τα 1,1 -1,5 V.

Όταν οποιοσδήποτε δέκτης ηλεκτρικής ενέργειας συνδέεται με τα ηλεκτρόδια ενός γαλβανικού στοιχείου (βλ. Εικ. 156), το ρεύμα I θα αρχίσει να ρέει μέσω του εξωτερικού κυκλώματος από το χάλκινο ηλεκτρόδιο (θετικός πόλος του στοιχείου) στο ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου (αρνητικός πόλος). . Στον ηλεκτρολύτη αυτή τη στιγμή, θα ξεκινήσει η κίνηση θετικών ιόντων ψευδαργύρου Zn + και υδρογόνου H 2 + από την πλάκα ψευδαργύρου στον χαλκό και αρνητικά ιόντα του υπολείμματος οξέος S0 4 - από τη πλάκα χαλκού στην πλάκα ψευδαργύρου. Ως αποτέλεσμα, η ισορροπία των ηλεκτρικών φορτίων μεταξύ των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη θα διαταραχθεί, με αποτέλεσμα τα θετικά ιόντα ψευδαργύρου να αρχίσουν και πάλι να ρέουν στον ηλεκτρολύτη από την κάθοδο, διατηρώντας ένα αρνητικό φορτίο σε αυτό το ηλεκτρόδιο. Νέα θετικά ιόντα θα εναποτεθούν στο ηλεκτρόδιο χαλκού. Έτσι, μεταξύ της ανόδου και της καθόδου θα υπάρχει πάντα μια διαφορά δυναμικού απαραίτητη για τη διέλευση του ρεύματος μέσω του ηλεκτρικού κυκλώματος.

Πόλωση.Το θεωρούμενο γαλβανικό στοιχείο Volta δεν μπορεί να λειτουργήσει για μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω του επιβλαβούς φαινομένου της πόλωσης που εμφανίζεται σε αυτό. Η ουσία αυτού του φαινομένου είναι η εξής. Τα θετικά ιόντα υδρογόνου H 2 + που κατευθύνονται στο ηλεκτρόδιο χαλκού 1 αλληλεπιδρούν με τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που υπάρχουν σε αυτό και μετατρέπονται σε ουδέτερα άτομα υδρογόνου. Αυτά τα άτομα καλύπτουν την επιφάνεια του ηλεκτροδίου χαλκού με ένα συνεχές στρώμα 4, το οποίο βλάπτει την απόδοση του γαλβανικού στοιχείου για δύο λόγους. Πρώτον, υπάρχει πρόσθετη εκπομπή μεταξύ του στρώματος υδρογόνου και του ηλεκτρολύτη. δ.σ. (emf της πόλωσης) που στρέφεται κατά του κύριου emf. δ.σ. στοιχείο, επομένως το προκύπτον π. δ.σ. Το Ε μειώνεται. Δεύτερον, ένα στρώμα υδρογόνου διαχωρίζει το ηλεκτρόδιο χαλκού από τον ηλεκτρολύτη και εμποδίζει τα νέα θετικά ιόντα να το πλησιάσουν. Σε αυτή την περίπτωση, η εσωτερική αντίσταση του γαλβανικού στοιχείου αυξάνεται απότομα.

Για την καταπολέμηση της πόλωσης σε όλα τα γαλβανικά κύτταρα, τοποθετούνται ειδικές ουσίες γύρω από το θετικό ηλεκτρόδιο - αποπολωτές, που αντιδρούν εύκολα χημικά με το υδρογόνο. Απορροφούν ιόντα υδρογόνου που πλησιάζουν το θετικό ηλεκτρόδιο, εμποδίζοντάς τα να εναποτεθούν σε αυτό το ηλεκτρόδιο.

Η βιομηχανία παράγει γαλβανικά στοιχεία διαφόρων τύπων (με διαφορετικά ηλεκτρόδια και ηλεκτρολύτες), με διαφορετικά σχέδια. Τα πιο συνηθισμένα είναι τα κύτταρα άνθρακα-ψευδαργύρου, στα οποία τα ηλεκτρόδια άνθρακα και ψευδαργύρου βυθίζονται σε υδατικό διάλυμα χλωριούχου αμμωνίου (αμμωνία) ή επιτραπέζιο αλάτι και το υπεροξείδιο του μαγγανίου χρησιμοποιείται ως αποπολωτής.

Ξηρά στοιχεία.Ένας τύπος γαλβανικής κυψέλης είναι μια ξηρή κυψέλη (Εικ. 157), που χρησιμοποιείται σε μπαταρίες φακών τσέπης, ραδιόφωνα κ.λπ. και άμυλο, και το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου κατασκευάζεται με τη μορφή κυλινδρικού κουτιού που χρησιμοποιείται ως δοχείο στο οποίο τοποθετούνται ο ηλεκτρολύτης και το ηλεκτρόδιο άνθρακα. Για την απομάκρυνση των αερίων που δημιουργούνται κατά τη λειτουργία του στοιχείου, παρέχεται ένας σωλήνας εξόδου αερίου σε αυτό.

Χωρητικότητα.Η ικανότητα των χημικών πηγών ρεύματος να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια χαρακτηρίζεται από την ικανότητά τους. Η χωρητικότητα αναφέρεται στην ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που αποθηκεύεται σε γαλβανικές κυψέλες ή μπαταρίες.Η χωρητικότητα μετριέται σε αμπέρ ώρες. Η ονομαστική χωρητικότητα μιας πηγής χημικού ρεύματος είναι ίση με το γινόμενο του ονομαστικού (υπολογιζόμενου) ρεύματος εκφόρτισης (σε αμπέρ) που δίνεται από την πηγή χημικού ρεύματος όταν συνδέεται σε αυτήν ένα φορτίο, και το χρόνο (σε ώρες) μέχρι το e. δ.σ. δεν θα φτάσει την ελάχιστη αποδεκτή τιμή. Κατά τη μακροχρόνια λειτουργία, η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να παράγει ένα γαλβανικό στοιχείο μειώνεται, καθώς οι δραστικές χημικές ουσίες που υπάρχουν σε αυτό, οι οποίες εξασφαλίζουν την εμφάνιση ηλεκτρισμού, καταναλώνονται σταδιακά. d.s; ταυτόχρονα το e μειώνεται. δ.σ. στοιχείο και η χωρητικότητά του και η εσωτερική του αντίσταση αυξάνεται.

Ένα γαλβανικό στοιχείο έχει ονομαστική χωρητικότητα μόνο εάν έχει περάσει σχετικά μικρός χρόνος από την κατασκευή του. Η χωρητικότητα ενός γαλβανικού στοιχείου μειώνεται σταδιακά, ακόμη και αν δεν παράγει ηλεκτρική ενέργεια (μετά από 10-12 μήνες αποθήκευσης, η χωρητικότητα των ξηρών κυψελών μειώνεται κατά 20-30%). Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι οι χημικές αντιδράσεις σε τέτοια στοιχεία συμβαίνουν συνεχώς και οι δραστικές χημικές ουσίες που είναι αποθηκευμένες σε αυτά καταναλώνονται συνεχώς.

Η μείωση της χωρητικότητας των πηγών χημικού ρεύματος με την πάροδο του χρόνου ονομάζεται αυτοεκφόρτιση. Η χωρητικότητα ενός γαλβανικού στοιχείου μειώνεται επίσης όταν εκφορτίζεται με υψηλό ρεύμα.

Χαλκός - ψευδάργυρος - θειικό οξύ γαλβανικών κυττάρων

Έριξε αραιωμένο θειικό οξύ σε ένα ποτήρι και κατέβασε μέσα ένα πιάτο γαλβανισμένου φύλλου. Η εξέλιξη του υδρογόνου ξεκίνησε. Συνέδεσα ένα σύρμα στο πιάτο με έναν κροκόδειλο, συνδεδεμένο με έναν άλλο κροκόδειλο σε έναν πεπλατυσμένο χάλκινο σωλήνα. Κατέβασα τον χαλκό σε ένα ποτήρι με ψευδάργυρο και οξύ - η απελευθέρωση υδρογόνου ξεκίνησε από την επιφάνεια του χαλκού.

Έχουμε αποκτήσει ένα γαλβανικό στοιχείο: ο ψευδάργυρος διαλύεται, τα ηλεκτρόνια περνούν μέσω του σύρματος προς τον χαλκό και τα ιόντα υδρογόνου εκκενώνονται (ανάγεται) στην επιφάνεια του χαλκού. Στην ιδανική περίπτωση, μετά τη βύθιση του χαλκού σε οξύ, η εξέλιξη του υδρογόνου στην επιφάνεια του ψευδαργύρου θα έπρεπε να είχε σταματήσει, αλλά στην πραγματικότητα απελευθερώθηκε υδρογόνο τόσο στον χαλκό όσο και στον ψευδάργυρο.

Εάν αφαιρέσετε την πλάκα ψευδαργύρου από το οξύ, αλλά αφήσετε τη χάλκινη πλάκα, η έκλυση υδρογόνου από την επιφάνεια του χαλκού θα σταματήσει: ο χαλκός δεν εκτοπίζει το υδρογόνο από το θειικό οξύ.

Συνέδεσα τα ηλεκτρόδια δοκιμής μεταξύ των πλακών - η τάση αποδείχθηκε 0,8-0,9 V. Εάν αφαιρέσετε μία από τις πλάκες (χαλκό ή ψευδάργυρο) από το διάλυμα, η τάση πέφτει στο μηδέν (δεν υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα στο σύστημα ). Το ίδιο θα συμβεί εάν ο χαλκός και ο ψευδάργυρος σε ένα διάλυμα έρθουν σε επαφή: τα ηλεκτρόνια θα περάσουν από τον ψευδάργυρο στον χαλκό απευθείας - παρακάμπτοντας το σύρμα και τον ελεγκτή.

Πώς μπορούμε να αυξήσουμε την τάση του γαλβανικού μας στοιχείου; Θα λάβουμε την απάντηση αν λάβουμε υπόψη τις εξισώσεις των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα:

Zn 0 => Zn 2+ + 2e -
2H + + 2e - = H 2 0

Η ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) ενός γαλβανικού στοιχείου είναι ίση με τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των ηλεκτροδίων, στην περίπτωσή μας, «υδρογόνου» και ψευδαργύρου:

EMF = E(2H + /H 2) - E(Zn 2+ /Zn)

Όσο μεγαλύτερο είναι το δυναμικό του ηλεκτροδίου υδρογόνου και όσο μικρότερο το δυναμικό του ηλεκτροδίου ψευδαργύρου, τόσο μεγαλύτερο είναι το EMF του γαλβανικού στοιχείου. Και στις δύο περιπτώσεις, το δυναμικό του ηλεκτροδίου - υδρογόνο ή ψευδάργυρος - αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης κατιόντων υδρογόνου ή ψευδαργύρου στο διάλυμα, αντίστοιχα.

Υπάρχουν δύο διέξοδοι: μείωση της συγκέντρωσης ιόντων ψευδαργύρου ή αύξηση της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου.

Στην αρχική στιγμή, η συγκέντρωση κατιόντων ψευδαργύρου είναι πρακτικά μηδενική (δεν υπάρχει πού να τη μειώσει), αλλά μπορείτε να αυξήσετε τη συγκέντρωση κατιόντων υδρογόνου προσθέτοντας περισσότερο θειικό οξύ στο γυαλί. Το δυναμικό του ηλεκτροδίου υδρογόνου θα αυξηθεί, προκαλώντας αύξηση της διαφοράς δυναμικού.

Και αμέσως μια σημαντική διευκρίνιση: καθώς λειτουργεί το γαλβανικό στοιχείο, η συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου στο διάλυμα θα μειωθεί και τα ιόντα ψευδαργύρου θα αυξηθούν (ο ψευδάργυρος εισέρχεται στο διάλυμα και τα ιόντα υδρογόνου μειώνονται σε Η 2). Συμπέρασμα: Το emf του γαλβανικού μας στοιχείου θα πέσει με την πάροδο του χρόνου.

Μια άλλη επιλογή είναι να αντικαταστήσετε τον ψευδάργυρο με οποιοδήποτε μέταλλο που βρίσκεται στα αριστερά του ψευδάργυρου στην ηλεκτροχημική σειρά τάσης (δηλαδή, με ένα μέταλλο που είναι πιο ενεργό από τον ψευδάργυρο). Το δυναμικό του ηλεκτροδίου με ένα τέτοιο μέταλλο είναι πιο θετικό (άλλα πράγματα είναι ίσα). Για παράδειγμα, αντί για ψευδάργυρο, μπορείτε να πάρετε μαγνήσιο.

Τι θα αλλάξει όμως αν αντί για χαλκό πάρουμε ένα άλλο, λιγότερο ενεργό μέταλλο (που στη σειρά τάσης είναι δεξιά του χαλκού), για παράδειγμα, ασήμι, πλατίνα κ.λπ.; Θα αυξηθεί το δυναμικό της γαλβανικής κυψέλης; Όχι, γιατί δεν έχουμε να κάνουμε με ένα γαλβανικό στοιχείο με ηλεκτρόδια ψευδαργύρου και χαλκού (γνωστό και ως κυψέλη Daniel):

Και με γαλβανική κυψέλη με ψευδάργυρο και υδρογόνοηλεκτρόδια.

Zn | ZnSO 4 || H2SO4 | Η2.
Zn 0 => Zn 2+ + 2e -
2H + + 2e - = H 2 0

Είναι εύκολο να διαπιστωθεί ότι το υλικό του ηλεκτροδίου στο οποίο απελευθερώνεται υδρογόνο δεν περιλαμβάνεται στις εξισώσεις και επομένως δεν έχει σημασία.

__________________________________________________
Ο όρος "ηλεκτρόδιο υδρογόνου" τίθεται σε εισαγωγικά επειδή σε ένα τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου η πλάκα δεν είναι χαλκός, αλλά πλατίνα - αυτό επηρεάζει σημαντικά τη λειτουργία του.

Αυστηρά μιλώντας, το υλικό του ηλεκτροδίου στο οποίο απελευθερώνεται το υδρογόνο έχει σημασία (όπως συμβαίνει). - Διαφορετικά, δεν θα υπήρχε ανάγκη χρήσης πλατίνας για ένα τυπικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου. Αλλά ας μην περιπλέκουμε την παρουσίαση.