§ 15. Химические источники электрического тока

Определения и обозначения

Химический источник электрического тока — устройство, в котором энергия химической реакции превращается в электрическую. Такая формулировка показывает, откуда берётся энергия для движения зарядов, например в батарейке. Источники тока позволяют питать приборы без непосредственного подключения к электросети.

Гальванический элемент — химический источник тока, в котором электрический ток возникает при самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции. Самопроизвольной называют реакцию, которая может идти без постоянного воздействия внешнего источника тока. Понятие помогает отличить такой элемент от устройства, где электрический ток, наоборот, заставляет реакцию протекать.

Электрод — проводник, через который электроны входят в раствор или выходят из него; на электродах протекают реакции окисления и восстановления. Электрод связывает химический процесс с внешней электрической цепью. По тому, какая реакция идёт на электроде, определяют его роль в элементе.

Электролит — раствор или расплав, содержащий подвижные ионы и проводящий ток внутри химического источника. Ионы перемещаются в электролите и переносят заряд между частями элемента. Поэтому замкнутый путь для тока включает не только внешний проводник, но и внутреннюю ионную среду.

Как это устроено

Окислительно-восстановительная реакция состоит из двух связанных процессов: при окислении частицы отдают электроны, а при восстановлении другие частицы их принимают. Если оба процесса происходят в одном месте, электроны передаются непосредственно между реагентами и полезный внешний ток не возникает. Пространственное разделение процессов заставляет электроны пройти через проводник, соединяющий места реакции, и их движение можно использовать для питания прибора.

Гальванический элемент обычно включает две электродные системы: электрод и раствор электролита около него. Электроды соединяют внешним проводником, а растворы связывают солевым мостиком или пористой перегородкой. Такая конструкция нужна, чтобы разделить реакции и одновременно оставить путь для переноса заряда внутри элемента.

На электроде, где идёт окисление, образуются электроны, поэтому они выходят оттуда во внешний проводник и направляются к электроду восстановления. На втором электроде электроны принимают частицы, участвующие в восстановлении. В растворах электроны не перемещаются от электрода к электроду: внутри элемента заряд переносят положительные и отрицательные ионы.

Анод определяют по окислению, а катод — по восстановлению: эти названия указывают на тип реакции, а не на материал электрода. В гальваническом элементе анод отдаёт электроны внешней цепи, поэтому он заряжен отрицательно. Катод принимает электроны и имеет положительный знак; при электролизе знаки электродов другие, хотя правила «окисление на аноде, восстановление на катоде» сохраняются.

Первичный гальванический элемент после расходования реагентов обычно нельзя вернуть в исходное рабочее состояние обычной зарядкой. В аккумуляторе разряд сопровождается реакциями, которые при зарядке можно направить в обратную сторону, пропустив внешний ток. Топливный элемент получает реагенты извне и вырабатывает электричество, пока они подаются; его работа не сводится к запасённым внутри порциям реагентов.

Сравнение химических источников электрического тока

Сначала сравните, откуда поступают реагенты и в каком виде запасена энергия. Затем проверьте, можно ли восстановить исходное состояние и что для этого требуется. Особенно важно не путать зарядку аккумулятора с подачей новых реагентов в топливный элемент.

Разбор задач

Задача 1

В реакции Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu укажите, какое вещество окисляется, какое восстанавливается и где происходит каждый процесс.

1. Определим изменения зарядов: атом Zn с зарядом 0 превращается в Zn²⁺, значит, отдаёт два электрона. Это окисление: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻.
2. Ион Cu²⁺ принимает два электрона и становится нейтральным атомом меди. Полуреакция восстановления записывается так: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.
3. В гальваническом элементе цинк помещают на электрод, где идёт окисление, а ионы меди восстанавливаются на медном электроде. По типам процессов первый электрод — анод, второй — катод.

Ответ: цинк окисляется на аноде, ионы Cu²⁺ восстанавливаются на катоде.

Задача 2

Для элемента Zn|Zn²⁺||Cu²⁺|Cu определите анод и катод, направление движения электронов во внешней цепи и направление переноса ионов через солевой мостик.

1. В левой системе Zn может отдавать электроны: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. Значит, цинковый электрод — анод; восстановление Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu идёт на медном катоде.
2. Электроны движутся по внешнему проводнику от цинкового электрода к медному. Это направление следует из того, что электроны образуются при окислении и расходуются при восстановлении.
3. В анодный раствор поступают Zn²⁺, поэтому для сохранения электронейтральности туда перемещаются анионы из солевого мостика. К катодному раствору, где расходуются Cu²⁺, перемещаются катионы мостика.

Ответ: анод — Zn, катод — Cu; электроны идут от Zn к Cu, анионы мостика — к анодному раствору, катионы — к катодному.

Задача 3

Составьте схему элемента из железного и серебряного электродов, погружённых соответственно в растворы Fe²⁺ и Ag⁺. Запишите полуреакции, суммарное уравнение и укажите направления движения электронов и ионов.

1. Железо легче отдаёт электроны, чем серебро, поэтому оно окисляется: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Железный электрод становится анодом, а электроны направляются по внешней цепи к серебряному электроду.
2. На серебряном катоде ионы принимают электроны: 2Ag⁺ + 2e⁻ → 2Ag. Умножение полуреакции восстановления на два уравнивает число электронов, отданных железом и принятых ионами серебра.
3. Складываем полуреакции и записываем схему слева направо от анода к катоду: Fe|Fe²⁺||Ag⁺|Ag. В суммарном уравнении Fe + 2Ag⁺ → Fe²⁺ + 2Ag, анионы солевого мостика идут к раствору железа, катионы — к раствору серебра.

Ответ: анод — Fe, катод — Ag; электроны движутся от Fe к Ag, а заряд внутри элемента переносят ионы мостика в указанных направлениях.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что электроны идут внутри раствора от одного электрода к другому. Её допускают, смешивая движение электронов в металле и перенос заряда в электролите. Проверка: проследите путь — во внешнем проводнике идут электроны, а внутри раствора движутся ионы.

Ошибка: называть анод положительным, перенося на гальванический элемент знаки электродов при электролизе. Названия анода и катода связаны с реакциями, но их знаки зависят от типа устройства. Проверка: в гальваническом элементе окисление на аноде создаёт электроны, поэтому анод отрицательный, а катод положительный.

Ошибка: считать солевой мостик источником электронов. Так думают, потому что мостик замыкает цепь и соединяет растворы. Проверка: электроны поступают от реакции окисления, а мостик переносит ионы и помогает растворам сохранять электронейтральность.

Ошибка: полагать, что аккумулятор сам восстановится после разрядки. Его можно использовать повторно, но обратные реакции запускаются зарядным током, а не происходят сами собой. Проверка: если нужно вернуть аккумулятор в исходное состояние, требуется внешний источник энергии и ток обратного направления.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об окислении и восстановлении, степенях окисления, окислителях и восстановителях: они помогают установить, кто отдаёт и принимает электроны. Строение атома, образование ионов, электролитическая диссоциация и проводимость растворов объясняют перенос заряда внутри элемента. Эти представления пригодятся при изучении электролиза, коррозии металлов, аккумуляторов и электрохимических технологий.

Что запомнить

• Химический источник тока превращает энергию химической реакции в электрическую.
• В гальваническом элементе протекает самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция.
• Окисление происходит на аноде, восстановление — на катоде.
• В гальваническом элементе анод отрицательный, а катод положительный.
• Электроны движутся по внешней цепи от анода к катоду.
• Внутри элемента ток поддерживается движением ионов в электролите.
• Аккумулятор можно перезарядить, если пропустить ток в обратном направлении.