§ 22. Химические источники тока

Определения и обозначения

Химический источник тока — устройство, в котором энергия химической реакции превращается в электрическую. Внутри него идут реакции, разделённые таким образом, что электроны могут пройти через внешний проводник. Это понятие объединяет батарейки, аккумуляторы и другие устройства, питающие электрические приборы.

Гальванический элемент — источник тока, в котором электрический ток возникает при самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции. Окисление — отдача электронов, восстановление — их присоединение. Такое разделение процессов позволяет использовать движение электронов во внешней цепи, а не только получать продукты реакции непосредственно в растворе.

Аккумулятор — химический источник тока, реакции в котором можно обратить, пропуская ток от внешнего источника. При разрядке он сам отдаёт энергию, а при зарядке получает её от сети или другого источника. Обратимость реакции нужна, чтобы восстанавливать вещества, запасённые в аккумуляторе, и использовать его повторно.

Топливный элемент — источник тока, в котором электрическая энергия возникает при непрерывной подаче реагентов к электродам. В отличие от обычного элемента, реагенты не обязательно заранее находятся внутри устройства. Поэтому работа зависит от того, поступают ли к электродам топливо и окислитель.

Как это устроено

В химическом источнике тока окисление и восстановление происходят на разных электродах. Если бы оба процесса шли в одном месте, электроны могли бы сразу передаваться частицам рядом с отдающими их веществами, и полезного тока во внешнем проводе не возникло бы. Разделение реакций вынуждает электроны пройти через проводник, а значит, позволяет направить преобразование химической энергии на питание устройства.

В гальваническом элементе электроны идут по внешней цепи от электрода, где идёт окисление, к электроду, где идёт восстановление. В растворе заряд переносят ионы: без их движения в растворах накапливался бы избыток зарядов, который быстро остановил бы реакцию. Сольевой мостик или пористая перегородка дают ионам возможность перемещаться между частями элемента и поддерживают электронейтральность.

В элементе Даниэля цинковый электрод помещён в раствор, содержащий ионы цинка, а медный — в раствор с ионами меди. Атом цинка легче отдаёт электроны и переходит в раствор в виде Zn²⁺: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. Электроны остаются на цинке и по внешнему проводнику направляются к меди, где ионы Cu²⁺ принимают их и превращаются в атомы меди: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.

Складывая полуреакции, получаем суммарное уравнение Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. Оно показывает, что цинк расходуется, а медь выделяется на электроде, но само по себе не описывает путь электронов. Раздельные электроды и соединяющий их провод превращают отдачу электронов цинком и их принятие ионами меди в направленное движение зарядов; поэтому во внешней цепи появляется ток.

Первичные элементы после расходования активных веществ обычно не перезаряжают, поскольку обратная реакция практически не восстанавливает их исходное состояние. В аккумуляторе зарядный ток подают от внешнего источника, и он вызывает реакцию, обратную разрядке. В топливном элементе запас реагентов не ограничен только тем, что помещено внутрь: топливо и окислитель поступают к электродам извне, поэтому ток может вырабатываться, пока подача не прекращается.

Сравнение химических источников тока

Чтобы определить тип источника, сначала выясните, можно ли обратить его реакцию электрическим током, а затем — поступают ли реагенты извне. Перезаряжаемый источник с обратимой реакцией является аккумулятором, а источник с непрерывной подачей реагентов — топливным элементом. Если реакция практически не обращается, перед вами первичный элемент.

Разбор задач

Задача 1. В цинк-медном гальваническом элементе нужно определить, на каком электроде идёт окисление, а на каком — восстановление. Сравним, какое вещество отдаёт электроны и какая частица их принимает. Это сразу покажет, где находятся анод и катод.

1. Цинк отдаёт электроны и превращается в положительные ионы: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻.
2. Отдача электронов является окислением, поэтому оно идёт на цинковом электроде; в гальваническом элементе этот электрод — анод.
3. Ионы меди принимают электроны: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Присоединение электронов — восстановление, значит, оно идёт на медном катоде.

Ответ: на цинковом электроде происходит окисление, на медном — восстановление. Проверка: цинк отдаёт электроны, а ионы меди их принимают. Такой способ надёжнее, чем определять процессы по названиям металлов или по внешнему виду электродов.

Задача 2. Для элемента Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu запишите полуреакции и укажите направление электронов во внешней цепи. Запись показывает цинковый электрод слева и медный справа, но направление движения лучше вывести из реакций. Нужно найти участника, который теряет электроны, и частицу, которая их присоединяет.

1. Цинк окисляется: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻.
2. Ионы меди восстанавливаются: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Число электронов в полуреакциях одинаковое, поэтому их можно сложить без дополнительных коэффициентов.
3. Электроны выходят из цинкового электрода и проходят по внешнему проводнику к медному. В растворах заряд переносится ионами, а не электронами.

Ответ: анодная полуреакция — Zn → Zn²⁺ + 2e⁻, катодная — Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Во внешней цепи электроны движутся от цинка к меди. Сложение полуреакций даёт Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu.

Задача 3. Первый источник после разрядки практически не восстанавливает исходное состояние, а второй возвращается к нему при подключении внешнего источника тока. Определите типы источников. Ключевое различие здесь не в форме корпуса, а в обратимости реакции.

1. У первого источника реакция практически не обращается, поэтому его относят к первичным элементам.
2. Второй источник при подаче тока восстанавливает исходное химическое состояние, значит, его реакция обратима.
3. Источник с такой реакцией называют аккумулятором; при зарядке энергию ему передаёт внешний источник.

Ответ: первый источник — первичный элемент, второй — аккумулятор. Первый обычно заменяют после расходования реагентов, а второй можно использовать повторно. Во время зарядки аккумулятор не вырабатывает ток для нагрузки, а получает энергию извне.

Типичные ошибки

Считать, что электроны движутся внутри раствора, — неверно: во внешней цепи их переносят проводники, а в электролите заряд перемещается вместе с ионами. Путаница возникает потому, что ток есть и в растворе, и в проводе, но его носители различаются. Проверка простая: на схеме проследите путь электронов только через электроды и внешний провод, а в растворе отмечайте движение ионов.

Не следует приписывать аноду и катоду неизменные знаки для любых электрохимических процессов. В гальваническом элементе анод отрицательный, катод положительный, но при электролизе знаки другие. Ошибка появляется, если запомнить только знак, а не сам процесс; проверяйте себя по определению: окисление всегда идёт на аноде, восстановление — на катоде.

Сольевой мостик не создаёт электроны и не служит их источником. Он переносит ионы между растворами, замыкая внутреннюю часть цепи и не давая растворам терять электронейтральность. Чтобы проверить понимание, разделите пути зарядов: электроны идут по внешнему проводнику, ионы — через электролит и мостик.

Аккумулятор не следует считать устройством, которое само вырабатывает ток во время зарядки. При зарядке внешний источник расходует электрическую энергию, чтобы обратить реакцию разрядки и восстановить исходные вещества. Проверяйте себя вопросом, откуда поступает энергия: если подключено зарядное устройство, ток заряда создаётся внешним источником.

Связь с другими темами

Для понимания работы источников тока нужны знания об окислении и восстановлении, степенях окисления, электролитической диссоциации и движении электронов и ионов. Те же представления помогают разбираться в электролизе, коррозии металлов и электрохимическом получении веществ. Устройство аккумуляторов показывает, как химические превращения используются в технике для накопления и отдачи энергии. Поэтому электрохимия связывает свойства веществ с практическим применением электрического тока.

Что запомнить

• Химический источник тока преобразует химическую энергию в электрическую.
• В гальваническом элементе окисление и восстановление происходят на разных электродах.
• Электроны во внешней цепи идут от анода к катоду.
• В электролите заряд переносят ионы.
• Первичные элементы обычно не перезаряжают.
• Аккумуляторы можно многократно заряжать и разряжать.
• Топливный элемент работает при непрерывной подаче реагентов.