Електрохімічні елементи

При приміщенні металевого цинку в розчин сульфату міді відбувається окислювально-відновна реакція:

Zn (т) + Cu2 + → Zn2 + + Cu (т)

Обидві полуреакции (відновлення і окислення) відбуваються одночасно в місці зіткнення цинку з розчином. Цинк віддає два електрони катиону міді, окислюючись при цьому.

Якщо ж вчинити навпаки і помістити металеву мідь в розчин сульфату цинку, то нічого не станеться. Пам’ятайте про активність металів! Цинк є більш активним, ніж мідь – він легше віддає електрони.

У розглянутому вище прикладі обидві полуреакции протікали в одному місці. А що буде, якщо розділити полуреакции відновлення і окислення? У цьому випадку електрони будуть переходити від відновника до окислювача по зовнішньому ланцюзі, яка буде служити провідником електричного струму. Так-так – спрямований потік електронів є не що інше, як електричний струм.

Пристрій перетворення енергії хімічних реакцій в електроенергію, називаються електричними елементами, або, кажучи простою мовою, – електричними батареями.

1. Елемент Даніеля
елемент Даніеля
Мідна платівка (негативний електрод – анод) занурена в ємність з сульфатом міді.

Цинкова пластинка (позитивний електрод – катод) – в розчин сульфату цинку.

Пластинки з’єднані між собою металевим провідником. Але для того, щоб в ланцюзі з’явився електричний струм, необхідно з’єднати ємності соляним мостом (трубка, заповнена концентрованої соляним розчином). Соляний міст дозволяє іонам переміщатися з однієї ємності в іншу, при цьому розчини залишаються електрично нейтральними. Що відбувається з системою?

Цинк окислюється: атоми цинку перетворюються в іони і переходять в розчин. Вивільнені електрони рухаються по зовнішньому ланцюзі до мідного електрода, де відбувається відновлення іонів міді. Надходять сюди електрони з’єднуються з вихідними з розчину іонами міді. При цьому утворюються атоми міді, котрі виділяються як металу. Катіони соляного моста переміщуються в ємність з мідним електродом для заміщення витрачених іонів міді. Аніони соляного моста переміщуються в ємність з цинковим електродом, допомагаючи зберігати електрично нейтральний розчин з утворюються катіонами цинку.

Різниця потенціалів (напруга) в такій системі буде тим більше, чим далі метали знаходяться один від одного в ряду активності.

2. Сухий елемент
У побутових електричних батарейках використовується сухий елемент, що складається з:

цинкового корпусу (анод);
що знаходиться всередині корпусу графітового стержня (катод).
Стрижень оточений шаром оксиду марганцю та вугільної сажі, в якості електроліту використовується шар хлориду амонію і хлориду цинку. В результаті цього відбуваються такі реакції:

реакція окислення: Zn (т) → Zn2 + + e-
реакція відновлення: 2MnO2 (т) + 2NH4 + + 2e- → Mn2O3 (т) + 2NH3 (р-р) + H2O (ж)
У лужному сухому елементі замість кислого середовища хлориду амонію в якості електроліту використовується лужне середовище гідроксиду калію, що підвищує термін служби елемента, тому що, корпус не так швидко кородує

.
Основним недоліком гальванічних елементів є той факт, що виробництво електрики йде до тих пір, поки не закінчиться один з реагентів.

3. Акумулятори
Акумулятори усувають головний недолік сухих елементів – короткий термін служби, оскільки можуть заряджатися, а тому, час їх експлуатації підвищується в багато разів і становить кілька років.

Звичайний свинцевий акумулятор складається з шести, послідовно з’єднаних, елементів (банок). Кожна банку дає напругу 2В, а їх сума = 12В.

Як анода використовується свинець. Катод – діоксид свинцю (PbO2). Електроди занурені в розчин сірчаної кислоти (H2SO4). При замиканні ланцюга в акумуляторі відбуваються такі реакції:

На аноді: Pb (т) + H2SO4 (p-p) → PbSO4 (т) + 2H + + 2e-

На катоді: 2e- + 2H + + PbO2 (т) + H2SO4 (p-p) → PbSO4 (т) + 2H2O (ж)

Загальна: Pb (т) + PbO2 (т) + 2H2SO4 (p-p) → 2PbSO4 (т) + 2H2O (ж)

Акумулятор (при справному стані автомобіля) служить тільки для пуску двигуна. У момент пуску в ланцюзі протікає досить значний струм (десятки ампер), тому, заряд акумулятора витрачається дуже швидко (за кілька хвилин). Після того, як двигун запущено, все електроживлення автомобіля бере на себе генератор. Під час роботи двигуна генератор заряджає акумулятор: початкові окислювально-відновні реакції протікають у зворотному напрямку:

2PbSO4 (т) + 2H2O (ж) → Pb (т) + PbO2 (т) + 2H2SO4 (p-p)

В результаті відновлюється свинець і діоксид свинцю.

4. Гальванічне покриття

Суть електролітичних елементів складається в здійсненні за рахунок електроенергії хімічних реакцій – відновлення на катоді і окислення на аноді.

Окислювально-відновна реакція, що протікає на електродах при проходженні електроструму через електролітичний елемент, називається електролізом:

Електроліз води: 2H2O (ж) → 2H2 (г) + O2 (г)

Електролітичні елементи використовуються для отримання гальванопокриття. При цьому один метал наноситься найтоншим шаром на поверхню іншого металу.

Як роблять медалі золотими

Джерелом електроенергії при гальванопокриття служить зовнішнє джерело струму. Брусок золота є джерелом іонів золота, які відновлюються на поверхні медалі.

Покриття, нанесені методом електролізу, виходять рівними по товщині і міцними. У підсумку виріб зовні нічим не відрізняється від “чистого” варіанту, а за ціною – істотно дешевше.

ПОДІЛИТИСЯ: