Гальванический элемент

8 заданий

Как устроен гальванический элемент

linkОпора

Урок 96. Заряд и электролиз — ток, время, количество электричества и постоянная Фарадея. Материальный баланс по электронам и выход по току
Урок 46. Энергия Гиббса — совместное действие энтальпийного и энтропийного вкладов. Критерий направления при постоянных температуре и давлении

При электролизе ток вызывает реакцию. Можно и наоборот — заставить самопроизвольную реакцию давать ток. Опустим цинковую пластинку в раствор медного купороса: цинк покроется медью, раствор нагреется. Электроны переходят от цинка к ионам меди напрямую, и энергия реакции уходит в теплоту. Разделим процессы окисления и восстановления в пространстве — и электроны пойдут по проводу, совершая работу: получится гальванический элемент (элемент Даниэля).

Элемент Даниэля: электроны идут по проводу от цинка к меди, а внутри элемента ток переносят ионы — через солевой мостик анионы движутся к аноду, катионы — к катоду

Анод — электрод, где идёт окисление: \(\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-}\). В гальваническом элементе он заряжен отрицательно: там избыток электронов.
Катод — электрод, где идёт восстановление: \(\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}\).
Электроны идут по внешней цепи от анода к катоду, то есть от точки с меньшим потенциалом к точке с большим (урок 95).

Определения анода и катода — по процессу, а не по знаку: при электролизе анод положителен, но окисление всё равно идёт на нём. Сколько металла растворилось на аноде, считают по закону Фарадея (урок 96): на 2 моль электронов — 1 моль цинка.

infoИз истории

В 1780-х годах Луиджи Гальвани заметил, что лапка препарированной лягушки дёргается, если коснуться её двумя разными металлами, и решил, что открыл животное электричество. Алессандро Вольта понял, что источник тока — сами металлы, и в 1800 году построил вольтов столб из цинковых и медных кружков, проложенных смоченным солёной водой сукном, — первую батарею. Элемент Даниэля (1836) давал стабильное напряжение и питал первые телеграфные линии.

Солевой мостик и запись элемента

Если электроны уходят с цинка, в растворе у анода копятся лишние катионы \(\ce{Zn^2+}\), а у катода — лишние анионы (ионы меди ушли на электрод). Растворы перестали бы быть электронейтральными, и возникшее поле остановило бы ток за доли секунды. Солевой мостик (трубка с гелем \(\ce{KNO3}\) или \(\ce{KCl}\)) выравнивает заряды: анионы идут к аноду, катионы — к катоду.

errorЭлектроны через мостик не идут

В растворах и мостике заряд переносят только ионы. Электроны движутся лишь по металлу — по внешней цепи.

Схема элемента записывается так: анод слева, катод справа, одна черта — граница фаз, две черты — солевой мостик:

\[\ce{Zn|Zn^2+}\,(1\ \text{М})\,\|\,\ce{Cu^2+}\,(1\ \text{М})\ce{|Cu}.\]

Если реагенты не металлы, берут инертный электрод, на котором идёт полуреакция: \(\ce{Pt|Fe^3+, Fe^2+}\).

push_pinГлавное

Анод — электрод, где идёт окисление, катод — где восстановление (в гальваническом элементе анод отрицателен). Электроны идут по внешней цепи от анода к катоду, внутри элемента заряд переносят ионы; через солевой мостик движутся ионы, а не электроны. Схема: \(\ce{Zn|Zn^2+}\,\|\,\ce{Cu^2+|Cu}\) — анод слева.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.