Устройство и работа медно-цинкового и марганцево-цинкового гальванических элементов

Примером химического гальванического элемента может служить элемент Якоби-Даниэля (рис. 6). Он состоит из медного электрода (медной пластинки, погруженной в раствор CuSO₄) и цинкового электрода (цинковой пластинки, погруженной в раствор ZnSO₄). На поверхности цинковой пластинки возникает ДЭС и устанавливается равновесие

Zn ⇄ Zn²⁺ + 2ē

При этом возникает электродный потенциал цинка, и схема электрода будет иметь вид Zn|ZnSO₄ или Zn|Zn²⁺.

Аналогично, на медной пластинке также возникает ДЭС и устанавливается равновесие

Cu ⇄ Cu²⁺ + 2ē

Поэтому возникает электродный потенциал меди, и схема электрода будет иметь вид Cu|CuSO₄ или Cu|Cu²⁺.

На Zn-электроде (электрохимически более активном), протекает процесс окисления: Zn – 2ē →Zn²⁺. На Cu-электроде (электрохимически менее активном) протекает процесс восстановления: Cu²⁺ + 2ē → Cu.

Рис. 6 Схема медно-цинкового гальванического элемента

Суммарное уравнение электрохимической реакции:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

или Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu

Поскольку схема химического гальванического элемента записывается по правилу «правого плюса», то схема элемента Якоби–Даниэля будет иметь вид

Двойная черта в схеме обозначает электролитический контакт между электродами, осуществляемый обычно посредством солевого мостика.

В марганцево-цинковом гальваническом элементе (рис. 7) , как и в медно-цинковом, анодом служит цинковый электрод. Положительный электрод прессуется из смеси диоксида марганца с графитом и ацетиленовой сажей в виде столбика «агломерата», в середине которого помещается угольный стержень ‑ токоотвод.

Рис. 7 Схема сухого марганцево-цинкового элемента

1 – анод (цинковый стаканчик), 2 – катод (смесь диоксида марганца с графитом), 3 – токоотвод из графита с металлическим колпачком,

4 - электролит

Применяемый в марганцово-цинковых элементах электролит, содержащий хлорид аммония, вследствие гидролиза NH₄CI имеет слабокислую реакцию. В кислом электролите на положительном электроде идет токообразующий процесс:

МnO₂ + 4Н⁺ + 2ē → Мn²⁺ + 2Н₂O

В электролите с рН равным 7-8 ионов водорода слишком мало и реакция начинает протекать с участием воды:

МnО₂ + H₂O + ē → MnOOH + ОН^-

МnООН — это неполный гидроксид марганца (III) – манганит.

По мере расходования ионов водорода на токообразующий процесс электролит становится из кислого нейтральным или даже щелочным. Удержать кислую реакцию в солевом электролите при разряде элементов не удается. Добавить кислоту к солевому электролиту нельзя, так как это вызовет сильный саморазряд и коррозию цинкового электрода. По мере накопления на электроде манганита он частично может реагировать с ионами цинка, образующимися при разряде цинкового электрода. При этом получается труднорастворимое соединение ‑ гетаэролит, и раствор подкисляется:

2MnOOH + Zn²⁺ → ZnO∙Мn₂O₃ + 2Н⁺

Образование гетаэролита предохраняет электролит от слишком сильного подщелачивания при разряде элемента.