Гальванический элемент, как химический источник электрической энергии. Электродвижущая сила гальванического элемента

Гальванический элемент (химический источник тока) – это устройство, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую. Гальванический элемент состоит из двух электродов (полуэлементов). Между растворами отдельных электродов устанавливается контакт с помощью электролитического мостика, заполненного насыщенным раствором KCl (солевой мостик) или с помощью мембраны. Они обеспечивают электрическую проводимость между растворами, но препятствуют их взаимной диффузии и являются вместе с электродами внутренней цепью гальванического элемента. Внешняя цепь гальванического элемента – это выводы электродов. По внешней цепи осуществляется переход электронов от одного металла к другому.

В гальваническом элементе между двумя электродами возникает электродвижущая сила, равная разности двух электродных потенциалов. Электродвижущая сила гальванического элемента – величина всегда положительная и рассчитывается по формуле:

Е = φ_катода – φ_анода, где φ_катода > φ_анода

Различают гальванические элементы химические (биметаллические), концентрационные, газовые и топливные.

Химические гальванические элементы состоят из двух металлов, помещенных в растворы своих солей. На поверхности металлических электродов возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие

Me ⇄ Meⁿ⁺ + nē

При этом возникает электродный потенциал. Соединенные солевым мостиком (мембраной), но разомкнутые во внешней цепи оба электрода (гальванический элемент) могут находиться сколько угодно времени, не изменяясь. Но при замыкании внешней цепи начинают протекать термодинамически необратимые процессы.

На электрохимически более активном электроде протекает процесс окисления, то есть отдачи электронов. Процессы окисления в электрохимии называются анодными процессами, а электроды, на которых идут процессы окисления, называются анодами.

На электрохимически менее активном электроде протекает процесс восстановления, то есть принятия электронов. Процессы восстановления в электрохимии называются катодными процессами, а электроды, на которых идут процессы восстановления, называются катодами.

При этом электроны, образующиеся на аноде, по внешней цепи двигаются к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов по внутренней цепи элемента, то есть возникает электрический ток.

Схема химического гальванического элемента записывается по правилу «правого плюса». То есть электрод, являющийся катодом (+), пишется справа и его роль играет менее активный металл.

Электролитический контакт между электродами осуществляется обычно посредством солевого мостика. Он препятствует смешиванию электролитов и обеспечивает протекание электрического тока по внутренней цепи элемента.

Гальванический элемент служит источником тока до тех пор, пока весь анод не растворится или не израсходуются из раствора катионы, которые разряжаются на катоде.

Концентрационные гальванические элементы состоят из двух одинаковых электродов (например, серебряных), помещенных в растворы одного и того же электролита (например, AgNO₃), но имеющих разные концентрации. Источником электрического тока в таком элементе служит работа переноса электролита из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Элемент работает до тех пор, пока не сравняются концентрации катионов у анода и катода.

Газовые гальванические элементы состоят из двух газовых электродов, то есть электродов, в которых материал электрода (металл) не участвует в потенциалопределяющих реакциях. Примерами газовых электродов могут служить водородный (рис. 2) и хлорный электроды.

В топливных гальванических элементах (рис. 5) в качестве окисляющихся веществ обычно используют топлива (уголь, кокс, горючие газы), а в качестве окислителей – кислород или воздух.

Рис. 5. Схема водородно-кислородного топливного элемента

1 – анод, 2 – электролит, 3 - катод

В топливных гальванических элементах, как и в обычных, электроды, к которым подаются окислитель и восстановитель, разделены ионопроводящим электролитом. Электроды обычно делают из полых пористых трубок или пластин. Токообразующий процесс происходит на границе соприкосновения электрода с электролитом. Для эффективной работы топливных элементов часто применяют катализаторы, которые наносят на электроды.