Принцип действия гальванических элементов

Переход электронов как источник электрической энергии Поскольку каждая химическая связь и каждое химическое превращение зависит от движения внешних электронов атомов, то в мире атомов и молекул каждое химическое явление сопровождается изменением состояния электрически заряженных частиц. В обычных химических процессах это изменение заключается в том, что электроны переходят от одного атома к другому, соседнему. Такие изменения, происходящие в атомных масштабах, означают либо возникновение, либо перемещение химических связей - они проявляются не как электрические феномены, а как химические превращения. Если мы, например, погрузим цинковый стержень в раствор, сернокислой меди, то медь из раствора будет осаждаться на цинке, окрашивая его Поверхность в красноватый цвет, а цинк в виде ионов -переходить в раствор. Сернокислая медь в водном растворе практически полностью диссоциирована, поэтому такой химический процесс описывается следующим уравнением:

Zn + Cu2+ + SO42- -»Си + Ztt2+ + SQ42-.

Так как сульфат-ионы в этой реакции остаются неизменными, уравнение можно записать в виде: + Cu. (2) Сущность данного процесса состоит в том, что в растворе ионы меди, оказавшиеся в результате теплового движения вблизи поверхности цинкового стержня, отнимают от близлежащих атомов цинка два электрона. Атом цинка превращается в ион и переходит с поверхности металла в раствор, в то время как ион меди становится нейтральным атомом, который не растворим в воде и поэтому осаждается на внешней поверхности цинка (62). Этот процесс протекает в две фазы;

1. Атомы цинка отдают электроны:

2. Ионы меди забирают электроны:

Cu2++ 2e--»Cu

Даже в этом простом процессе выделяется электрическая энергия, однако' она проявляется только на атомарном уровне. Если мы хотим получить макроскопический электрический ток при переходе электронов от металлического цинка к ионам меди, мы должны добиться того, чтобы цинк отдавал свои электроны более отдаленным Ионам меди, а не тем, которые находятся с ним в непосредственном контакте. Для этого необходимо, чтобы электроны перетекали от цинка к меди по внешнему проводнику, создавая тем самым

электрический ток. Для осуществления превращения химической энергии в макроскопически используемую электрическую энергию нужно пространственно разделить процессы отдачи и приема электронов.

Элемент Даниэля

Работа гальванических элементов основана на пространственном разделении процессов приема и отдачи электронов. Рассмотрим один из наиболее старых гальванических элементов - элемент Даниэля. Он состоит из цинкового электрода, погруженного в раствор сернокислого цинка, и медного, погруженного в раствор сернокислой меди. Оба раствора разделены цилиндром из пористого материала. Схематически конструкцию этого элемента можно представить следующим образом;

(-)Znl ZnSCU - раствор | CuSO4 - раствор! Си(+)

Действие элемента Даниэля основано на том, что с поверхности цинка в раствор переходят ионы цинка Zn2+; при этом по проводнику, соединяющему цинк и медь, электроны от цинка перетекают к меди, где они взаимодействуют с ионами меди (Си2+), находящимися в соприкосновении с поверхностью меди, и нейтрализуют их. Цинк представляет собой отрицательный электрод элемента, медь - положительный.

Если, помимо указанных, не происходит никаких других процессов, то вскоре обмен электронами прекращается, так как вблизи поверхности цинка скапливаются положительно заряженные ионы Znz+, которые настолько сильно притягивают электроны из цинкового электрода и препятствуют выходу из металла готовых к растворению ионов Zn2+, что процесс ионизации останавливается. То же происходит и в непосредственной близости от поверхности меди. Здесь вследствие осаждения ионов Си2+ отрицательно заряженные сульфат-ионы собираются у поверхности медного электрода, и по истечении короткого времени из-за отталкивания электронов и притягивания ионов меди становится невозможным дальнейшее осаждение ионов Си2+. Если гальванический элемент бездействует, то такое состояние действительно наступает. В работающем же элементе, когда полюса его соединены проводом, условия совсем другие. Вследствие разности потенциалов между полюсами элемента, а также в растворе электролита все время течет электрический ток, причем ток в электролите обусловлен переносом свободно перемещающихся положительных ионов (катионов Zn2+, Cu2+) в одном направлении и отрицательных ионов (анионов SO42") - в противоположном. Благодаря этойу процесс ионизации атомов или разряда (нейтрализации) ионов может идти непрерывно. Раствор сернокислой меди должен быть отделен от раствора сернокислого цинка, так как в противном случае сернокислая медь будет иметь прямой контакт с цинком - между ними начнется непосредственный обмен электронами, что приведет к прекращению макроскопического тока. Такое разделение, однако, не должно означать электрическую изоляцию, так как в этом случае электрический ток идти не может. Поэтому оба раствора необходимо разделить пористой стенкой, которая препятствует смешению растворов, но позволяет ионам свободно мигрировать сквозь нее.

Элемент Даниэля представляет собой прибор, который непосредственно (минуя фазу тепла), теоретически полностью, превращает освобождающуюся химическую энергию в электрическую в соответствии с реакцией (2). Следует иметь в виду, что речь идет, конечно, только о той части химической энергии, которая может быть превращена в работу. В рассматриваемом процессе при 15°С освобождается 56,1 ккал/моль химической энергии. В соответствии с уравнением (1) в электрическую энергию можно перевести (при обратимом ведении процесса) 50,4 ккал, а 5,7 ккал при всех условиях превращаются в тепло. Таким образом, коэффициент использования химической энергии в гальванических элементах может достигать почти 90%. Хотя процессы в них не являются обратимыми, но все же некоторые из этих элементов при практическом использовании работают с гораздо большей степенью обратимости, чем другие устройства, производящие энергию.

Когда-то элемент Даниэля применялся на практике для получения электрической энергии. С точки зрения современных требований он не пригоден для производства больших количеств электрической энергии, в частности потому, что используемые в нем материалы (медь и цинк) слишком дороги для этих целей. Важнейшей задачей исследований в области гальванических элементов является разработка такого элемента, в котором использовались бы дешевые и имеющиеся в достаточном количестве материалы, а процессы протекали бы возможно ближе к обратимым.

Некоторые свойства гальванических элементов

Прежде всего установлено, что принципиально нельзя создать гальванический элемент, состоящий из одних только металлов, h В месте контакта двух металлов возникает разность потенциалов, причем ее величина остается неизменной независимо от того, соприкасаются ли эти металлы непосредственно или между ними находится любое количество пластин из других металлов (правило Вольта). Например, в месте контакта медного и цинкового стержней возникает разность потенциалов (£), но она не может вызвать электрический ток. Если бы мы соединили указанный медный стержень с цинковым при помощи медного провода (63,а), то никакого электрического тока не появилось бы, так как в месте контакта медного провода с цинковым стержнем возникла бы разность потенциалов той же величины, что и в месте контакта медного и цинкового стержней, но противоположного знака (-£)■ Таким образом, во всей замкнутой цепи разность потенциалов суммарно равнялась бы нулю (£-£=0). Однако ток не потечет и в том случае, если между медью и цинком мы поместим еще и другие металлы (Fe, Pb). При этом разность потенциалов между цинком и медью не изменится (63,6), так как, согласно упомянутому правилу Вольта, £\ + £г + £ъ =£.

Чтобы получить гальванический элемент, необходим по крайней мере один электролит, то есть такое вещество, через которое ток протекает вследствие миграции положительных и отрицательных ионов. Можно составить гальванические элементы, содержащие одни электролиты. Однако все применяемые на практике гальванические элементы состоят из электролитов и металлов. В каждом гальваническом элементе имеются два металлических электрода (полюса), между которыми возникает разность потенциалов (напряжение). Если соединить оба электрода проводником, то в нем потечет электрический ток. Источником электрической энергии в гальванических элементах являются химические превращения, происходящие в тех местах, где электролит соприкасается с металлическими электродами.

Электродвижущая сила

Одним из важнейших показателей гальванического элемента является разность потенциалов (напряжение) между его полюсами. Это напряжение называется электродвижущей силой (эдс). С точки зрения термодинамики величина эдс зависит от свойств материалов, концентрации электролита, температуры электродов и электролита и не зависит от" формы, величины, внутреннего сопротивления элемента и

т.д.

Какие же факторы определяют величину работы, получаемой при помощи гальванического элемента? Если полюса гальванического элемента просто соединены проводом, то вся освобождающаяся в химическом процессе энергия полностью переходит в тепло. Если же присоединить к полюсам гальванического элемента соответствующий электродвигатель постоянного тока, то вся эта система в целом будет производить работу. С помощью системы, состоящей из гальванического элемента, электромотора и соответствующих механических приспособлений, можно, например, поднять на определенную высоту груз, причем произведенная элементом работа будет зависеть от веса груза (64).

Увеличивая вес можно увеличить и эту работу, но только до определенного предела. При дальнейшем увеличении веса груза процесс может пойти в обратном напрвлении: груз начнет опускаться. Вследствие этого мотор будет вращаться в противоположную сторону и действовать уже как генератор..Ток через гальванический элемент потечет в обратном направлении, что приведет к возникновению химического процесса, противоположного первоначальному.

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области применения: аккумуляторные батареи в автомобильном транспорте, аварийные источники электроэнергии.