Электрохимия гальванических элементов

Мы применяем для питания разнообразных устройств гальванические элементы, привычно называя их батарейками, и не задумываемся, как они вырабатывают электричество. Чтобы объяснить принципы их работы, обратимся к электрохимии.

Самые простые реакции происходят в элементе Даниэля, который состоит из кюветы, разделённой пористой перегородкой. В одну половину кюветы залит раствор медного купороса CuSO4 и опущен медный электрод, а в другую — раствор цинкового купороса ZnSO4 с цинковым электродом.

С поверхности цинкового электрода в раствор уходят положительно заряженные ионы цинка Zn(2+), электрод заряжается отрицательно, притягивает ионы цинка, и на его поверхности формируется двойной электрический слой. При этом потенциал электрода становится меньше потенциала раствора. А на поверхности медного электрода идёт обратный процесс — там оседают положительно заряженные ионы меди Cu(2+), они притягивают отрицательно заряженные ионы SO4(2-), и также формируется двойной электрический слой. Электрод заряжается положительно, и его потенциал превышает потенциала раствора.

Вольтметр показывает, что потенциал медного катода выше потенциала цинкового анода на 1,03 В. Сравнивая пары металлов, химики выстроили их в электрохимический ряд напряжений, который помогает определить направление протекания окислительно-восстановительных реакций. Опустим в раствор медного купороса цинковую полоску. Сначала она покрывается восстановленной медью, а через некоторое время цинк полностью растворяется, и на дно стакана выпадают медные «лохмотья». С точки зрения электрохимии в этой реакции атом цинка отдаёт два электрона и превращается в ион цинка Zn(2+), а ион меди Cu(2+) принимает эти два электрона и превращается в нейтральный атом меди. Зная тепловой выход реакции, мы рассчитали энергию, полученную каждым электроном, и соответствующая разность потенциалов оказалась равной 1,1 В — очень близко к измеренным 1,03 В. В ячейке Даниэля эти реакции идут в каждой половине отдельно, а электроны переносятся от анода к катоду по замыкающему их проводнику.

Мы соединили последовательно четыре цинково-медных элемента с раствором обычной поваренной соли и с помощью такой батареи едва смогли зажечь крошечный красный светодиод. Батарея выдаёт около 3 В, но на светодиоде падает всего 1,7 В, и по цепи течёт ток меньше 1 миллиампера. Электротехник скажет, что внутреннее сопротивление батареи слишком велико, а физика здесь интересует, что происходит с носителями заряда в растворе.

Проще всего разобраться с работой элемента Даниэля: когда по цепи течёт ток, окрестность цинкового анода заряжается положительно за счёт избытка ионов цинка Zn(2+), а окрестность медного катода — отрицательно за счёт избытка ионов SO4(2-), так что внутри ячейки электрическое поле направлено от анода к катоду. В результате ионы SO4(2-) движутся от катода к аноду, а ионы цинка и меди — от анода к катоду. Скорости движения ионов малы, расстояние между электродами велико, поэтому перенос заряда происходит медленно, и именно этим ограничивается сила тока в цепи.

Чтобы увеличить ток, надо уменьшить расстояние между электродами, и мы вслед за Алессандро Вольта собрали «вольтов столб» из цинково-медных элементов с тонкими картонными прокладками и с его помощью смогли зажечь мощный синий светодиод!