Урок 17. Поняття про гальванічний елемент як жімічне джерело електричного струму. 11 клас.

Багато хімічних реакцій супроводжуються виділенням енергії. У більшості випадків ця енергія виділяється у вигляді теплоти (іноді світла),
яку потім перетворюють за допомогою різних приладів на інші види
енергії (механічну, електричну тощо). Оскільки сьогодні з’являється все
більше різноманітних електричних приладів, то дуже актуальними є
джерела електричного струму.

1800 року Алессандро Вольта вперше презентував пристрій, що перетворює хімічну енергію безпосередньо на електричну — вольтів стовп. Він назвав його гальванічним елементом на честь Луїджі Гальвані. У гальванічному елементі виникає спрямований рух електронів унаслідок перетворення енергії, яка вивільняється під час окисно-відновних реакцій, на електричну. Особливістю окисно-відновних реакцій у гальванічному елементі є те, що електрони від відновника до окисника переносяться не безпосередньо від однієї частинки до іншої, а зовнішнім електричним ланцюгом, отже вони можуть здійснювати електричну роботу. Класичним прикладом гальванічного елемента є елемент Якобі-Даніеля (мал. 14.1). Він складається з двох резервуарів, заповнених розчинами солей: цинк сульфату та купрум(ІІ) сульфату. Для замкнення електричного ланцюга обидва розчини з’єднані так званим сольовим містком — тонкою трубкою, заповненою розчином будь-якого сильного електроліту. У розчин цинк сульфату занурений цинковий електрод (пластина або стрижень), а в розчин купрум(ІІ) сульфату — мідний електрод. Ці електроди сполучаються металевим дротом, по якому і йде електричний струм.

Чому ж цей пристрій є джерелом електричного струму? Між мідною пластиною і розчином купрум(ІІ) сульфату встановлюється рівновага обміну йонами.

Cu²⁺ та електронами: Cu²⁺ + 2e – Cu⁰

При цьому скільки йонів осаджується на пластині, стільки ж і потрапляє в розчин. В іншому резервуарі з розчином цинк сульфату ZnSO₄ та цинковою пластинкою також встановлюється рівновага: Zn²⁺ + 2e – Zn⁰. У ряду активності цинк розташований лівіше за мідь, отже, він більш активний відновник і легше віддає електрони, ніж мідь. Унаслідок цього в металевому дроті відбувається спрямований рух електронів від цинкової пластинки (аноду) до мідної (катоду) — виникає електричний струм. Одночасно на цинковому електроді виникає нестача електронів, завдяки чому рівновага, що встановилася на ньому, зміщується в бік утворення йонів Zn²⁺: Zn⁰ → Zn²⁺ +2e

А на мідному електроді виникає надлишок електронів, і рівновага зміщується в бік осадження йонів Cu²⁺ на пластинці: Cu²⁺ +2e → Cu⁰↓

Сумарний процес, що відбувається на двох електродах, можна зобразити рівнянням: Zn⁰+Cu²⁺ → Cu⁰+Zn²⁺

Це рівняння фактично описує взаємодію між цинком та купрум(ІІ) сульфатом, у якому більш активний цинк витісняє мідь із її солі: Zn+CuSO₄ = ZnSO₄+Cu

Ця реакція може відбуватися, коли просто занурити цинкову пластинку в розчин купрум(ІІ) сульфату. Але якщо додати необхідні складові гальванічного елемента, то перебіг цієї реакції створює умови для здійснення електричної роботи. Тобто гальванічний елемент є пристроєм, який перетворює енергію хімічної реакції безпосередньо на електричну енергію. Через це гальванічні елементи також називають хімічними джерелами струму (ХДС).

Визначте, яким може бути склад гальванічного елемента (матеріал електродів та склад електролітів), у якому відбуваються процеси:

на аноді: Ni⁰ +2OH^– – 2e → Ni(OH)_2;

на катоді: Ni(OH)₃ + e → Ni(OH)₂ + OH^–