Химическим гальваническим элементом называют устройство из двух электродов, в котором химическая энергия превращается в электрическую.

Рассмотрим систему, в кото­рой не один, а два каких-нибудь металла, например цинк и медь, в виде пластинок опущены в растворы своих солей, разделенные диафрагмой. Каждый из металлов может выделить в раствор то количество ионов, которое отве­чает равновесию его с раствором. Однако от­вечающие такому равновесию потенциалы этих металлов неодинаковы. Цинк обладает более высокой способностью выделять ионы в раствор, чем медь, и поэтому приобретает более высокий отрицательный заряд.

Рис.1. Схема гальванического

элемента.

Если пластинки соединить проволокой, то разница этих потенциалов пластинок и обра­зование контактной разности потенциалов металлов Zn/Cu приводит к переходу соот­ветствующего числа электронов с цинковой пластинки на медную. Это нарушает равновесие двойного слоя на обеих пластинках и с цинковой пла­стинки выделится вновь некоторое число ионов Zn²⁺ в раствор, а на медной пластинке разрядится соответствующее число ионов Сu²⁺. Таким образом, снова возникает разность в зарядах пласти­нок, вызывающая переход электронов с цинковой пластинки на медную, и дальнейшее течение описанных переходов ионов. В ре­зультате возникает самопроизвольно протекающий процесс, при котором цинковая пластинка будет растворяться, а на медной бу­дут разряжаться ионы Сu²⁺ и выделяться металлическая медь. Переход электронов по проволоке от цинковой пластинки к мед­ной дает электрический ток.

Гальванический элемент, основанный на описанном процессе, может служить источником получения электрического тока. Такой элемент был предложен в середине прошлого века Даниелем, Б. С. Якоби и др. Известно большое число других гальванических элементов подобного рода.

В основе всякой гальванической цепи лежит окислительно-восстановительная реакция, проводимая так, что на одном из элек­тродов (отрицательном) происходит окисление (в элементе Яко­би— растворение цинка), а на другом (положительном) —восста­новление (в элементе Якоби — выделение меди).

Так, в основе работы элемента Якоби лежит реакция

Zn+Cu²⁺=Zn²⁺+Cu или Zn+CuSO₄=ZnSO₄+Cu

Проводя указанную реакцию в гальваническом элементе, мы разделяем процессы окисления и восстановления, осуществляя их на различных электродах.

Zn⁰-2e^-→Zn²⁺ - окисление (происходит на отрицательном электроде);

Cu²⁺+e^-→Cu⁰ – восстановление (происходит на положительном электроде).

В практике применяют иногда концентрационные гальванические элементы, которые состоят из двух одинаковых электродов (например, серебряных), опущенных в растворы одного и того же электро­лита (например, АgNО₃), но разных концентраций. Источником электрического тока в таком элементе служит работа переноса электролита из более концентрированного в более разбавленный раствор.

Поскольку металл электродов одинаков (Ag), то растворимость обоих электродов будет одна и та же. Однако различие в концентра­циях растворов приводит к тому, что равновесие Ag↔Ag⁺ + e^- у поверхности двух электродов будет неодинаковым. В более концент­рированном растворе оно несколько сдвинуто влево по сравнению с равновесием в менее концентрированном растворе. Поэтому на электроде в менее концентрированном растворе избыток электронов окажется большим и этот электрод будет более отрицательным, а второй—менее электроотрицательным.

При замыкании электродов возникает ток. В результате работы элемента концентрации растворов постепенно выравниваются. В менее концентрированном растворе содержание AgNO₃ увеличивается вслед­ствие перехода ионов серебра с пластинки в раствор и поступления ионов NO^-₃ из более концентрированного раствора через пористую перегородку. В более концентрированном растворе количество ионов серебра уменьшается, благодаря осаждению их на поверхности пластинки; одновременно с этим освободившиеся ионы NO^-₃ переме­щаются в менее концентрированный раствор. Следовательно, концент­рация AgNO₃ в растворе уменьшается. На электродах, находящихся в растворах AgNO₃ меньшей и большей концентрации, протекают реак­ции

Ag⁰-e^-↔Ag⁺ Ag⁺+e^-↔Ag⁰