§ 2.12. Гальванические элементы

Определения и обозначения

Гальванический элемент — источник электрического тока, в котором энергия химической реакции превращается в электрическую. Он нужен, чтобы получать ток без подключения к электросети: реакция внутри источника поддерживает разделение зарядов и разность потенциалов.

Электрод — проводник, погружённый в электролит и участвующий в химических процессах элемента. Два электрода дают место для разных реакций: на одном частицы отдают электроны, а на другом принимают их.

Электролит — проводящая среда, в которой перенос заряда осуществляется движением ионов. Ионы обеспечивают движение заряда внутри элемента и замыкают цепь, когда электроны идут снаружи.

Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних сил по перемещению единичного заряда внутри источника. Её обозначают ε и измеряют в вольтах; она показывает, сколько энергии источник сообщает каждому кулону заряда.

Как это устроено

В гальваническом элементе протекает самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция: одни частицы отдают электроны, другие их принимают. Если бы реакция шла непосредственно в одном месте, энергия в основном выделялась бы в виде тепла. Разделение реагентов между электродами заставляет электроны проходить по внешней цепи, где их движение можно использовать для питания прибора.

Два электрода контактируют с электролитом, но соединены также проводом через внешнюю цепь. По проводу движутся электроны, а внутри электролита — ионы: положительные перемещаются к отрицательному электроду, отрицательные — к положительному. Так сохраняется электрическая нейтральность раствора и химические реакции могут продолжаться. Если убрать внешний провод, устойчивый ток в нём прекратится.

На одном электроде происходит окисление: частицы отдают электроны, и электрод становится отрицательным полюсом. На другом идёт восстановление: частицы принимают электроны, поэтому этот электрод является положительным полюсом. Такая полярность относится к источнику, отдающему энергию во внешнюю цепь; электроны в проводе движутся от минуса к плюсу, а условное направление тока — от плюса к минусу.

Химические реакции постоянно поддерживают избыток электронов у одного электрода и их недостаток у другого. Поэтому между электродами сохраняется разность потенциалов, а действие химических сил внутри источника характеризует ЭДС. При замкнутой цепи ток создаёт падение напряжения на внутреннем сопротивлении r: для разряжающегося элемента U = ε − Ir. Значит, напряжение на внешнем участке меньше ЭДС, когда через элемент течёт ток.

Простейший элемент показывает сам принцип, но его работа может быть неудобна: продукты реакции способны мешать поддержанию тока. В усовершенствованных конструкциях, например в элементе Даниэля—Якоби или Лекланше, подбирают разные электролиты и материалы, чтобы реакция шла устойчивее. Батарея — это несколько соединённых элементов; их соединяют, когда нужно изменить ЭДС или внутреннее сопротивление источника.

Устройство и особенности основных гальванических элементов

Сравнивайте элементы по материалам электродов, составу электролита и тому, какие химические процессы создают разность потенциалов. В строке об общем для всех элементов приведены не отдельные материалы, а общие принципы их работы.

Точные составы электролитов и устройство могут отличаться в зависимости от разновидности элемента; в таблице указаны характерные школьные примеры.

Разбор задач

Задача 1. В элементе цинковый электрод отдаёт электроны, а на другом электроде частицы принимают их. Определите полюса элемента и направление электронов во внешней цепи.

1. Отдача электронов означает окисление. Электроны накапливаются на цинковом электроде, поэтому он становится отрицательным.
2. Приём электронов соответствует восстановлению. Электрод, на котором оно идёт, является положительным.
3. Во внешней цепи электроны движутся от места, где они образуются, к месту, где их принимают: от отрицательного электрода к положительному.

Ответ: цинк — отрицательный электрод, второй электрод — положительный; электроны движутся от цинка ко второму электроду.

Задача 2. ЭДС элемента ε = 1,5 В, внутреннее сопротивление r = 0,5 Ом, сила тока I = 2 А. Найдите напряжение на внешнем участке цепи.

1. При разряде часть напряжения падает на внутреннем сопротивлении, поэтому используем U = ε − Ir.
2. На внутреннем сопротивлении падение напряжения равно Ir = 2 А · 0,5 Ом = 1 В.
3. Тогда напряжение на внешнем участке U = 1,5 В − 1 В = 0,5 В. Проверка по закону Ома для полной цепи даёт R = ε/I − r = 0,25 Ом и IR = 0,5 В.

Ответ: 0,5 В.

Задача 3. Имеются n одинаковых элементов с ЭДС ε и внутренним сопротивлением r, подключаемые к нагрузке сопротивлением R. Сравните последовательное и параллельное соединения.

1. При последовательном соединении ЭДС складываются: εобщ = nε, а внутренние сопротивления тоже складываются: rобщ = nr. Ток равен Iпосл = nε/(R + nr).
2. При параллельном соединении одинаковых элементов ЭДС остаётся равной ε, а общее внутреннее сопротивление уменьшается до r/n. Тогда Iпар = ε/(R + r/n).
3. Сравнивайте полученные выражения с учётом конкретного R. При большой нагрузке последовательное соединение обычно выгоднее для увеличения напряжения; параллельное уменьшает внутреннее сопротивление и помогает отдавать больший ток при подходящей нагрузке.

Ответ: последовательно соединённые элементы дают ЭДС nε и сопротивление nr; параллельно соединённые — ЭДС ε и сопротивление r/n. Ток в каждом случае определяется также сопротивлением нагрузки.

Типичные ошибки

Путают положительный и отрицательный полюса, смешивая знак электрода с направлением движения электронов. Обычно забывают, что электроны движутся от минуса к плюсу, а условное направление тока противоположно. Проверьте себя: сначала найдите, где идёт окисление и образуются электроны, — это отрицательный электрод.

Считают, что в электролите заряд переносится электронами, потому что именно об электронах чаще говорят при описании проводов. В растворе движутся ионы обоих знаков; электроны проходят по металлическим частям цепи. Проверка простая: укажите среду и носители заряда отдельно для провода и электролита.

Отождествляют ЭДС с напряжением на клеммах при любом режиме. Ошибка возникает из-за того, что обе величины измеряют в вольтах, но при токе часть напряжения теряется внутри источника. Используйте U = ε − Ir и проверьте: при I = 0 напряжение равно ЭДС, а при разряде оно меньше.

Называют любой источник тока гальваническим элементом или считают один элемент батареей. Так смешивают отдельный источник, батарею из нескольких элементов и аккумулятор, который можно заряжать. Чтобы проверить термин, выясните, состоит ли источник из одного элемента или нескольких и рассчитан ли он на повторную зарядку.

Связь с другими темами

Для понимания гальванического элемента нужны знания об электрическом токе и его направлении, работе электрического поля и окислительно-восстановительных реакциях. Закон Ома помогает связать ЭДС, внутреннее сопротивление и ток в цепи. Без этих понятий трудно объяснить, как химическая реакция поддерживает движение зарядов.

Дальше эта тема используется при изучении ЭДС, закона Ома для полной цепи и соединения источников тока. Эти знания позволяют рассчитывать ток и напряжение в реальной цепи с учётом сопротивления нагрузки и источника. Они также помогают выбирать последовательное или параллельное соединение элементов.

Что запомнить

• Гальванический элемент превращает химическую энергию в электрическую.
• В элементе есть два электрода и электролит.
• В электролите заряд переносят положительные и отрицательные ионы.
• На отрицательном электроде происходит окисление, на положительном — восстановление.
• Электроны во внешней цепи движутся от отрицательного полюса к положительному.
• ЭДС характеризует действие сторонних сил внутри источника.
• При прохождении тока часть энергии теряется на внутреннем сопротивлении элемента.