§ 32. Химические источники тока

Определения и обозначения

Химический источник тока — устройство, в котором энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую. Его задача — направить перенос электронов не прямо внутри реагирующих веществ, а по внешней цепи. Так химическая энергия используется для работы приборов.

Гальванический элемент — химический источник тока, где самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция создаёт электрический ток. Реагенты расходуются в ходе разряда, поэтому такой элемент обычно нельзя восстановить простой зарядкой. Это понятие описывает первичный источник тока.

Аккумулятор — источник тока, который после разрядки можно зарядить, пропуская ток в обратном направлении и восстанавливая исходное состояние реагентов. Его главное свойство — обратимость химических превращений. Поэтому аккумулятор используют многократно.

Топливный элемент — источник тока, в котором электрическая энергия возникает при непрерывной подаче топлива и окислителя к электродам. Внутренний запас реагентов здесь невелик, а продукты реакции удаляются. Это позволяет получать ток, пока продолжается подача веществ.

Как это устроено

Окисление и восстановление разделяют между двумя электродами, потому что при непосредственном контакте реагентов энергия выделяется в основном как тепло. На электроде окисления частицы отдают электроны, а на электроде восстановления они принимаются. Электроны проходят через проводник и создают ток во внешней цепи.

Разность электродных потенциалов определяет напряжение источника, поскольку она показывает различие способности электродов отдавать или принимать электроны. Электрод с более высоким потенциалом легче участвует в восстановлении, а электрод с более низким обычно становится местом окисления. Поэтому направление самопроизвольной реакции связано с разностью потенциалов.

Электролит или разделитель нужен для перемещения ионов между частями элемента. Без этого в одной области накапливался бы избыток положительного или отрицательного заряда, и реакция быстро остановилась бы. Ионы компенсируют изменение состава растворов и поддерживают электронейтральность.

При разряде аккумулятора реакция идёт самопроизвольно и создаёт ток во внешней цепи. Зарядное устройство прикладывает напряжение, заставляя частицы двигаться в обратном направлении. Поэтому исходные вещества и состояние электродов восстанавливаются, хотя часть энергии при зарядке теряется.

В топливном элементе реагенты не должны полностью храниться внутри корпуса, поскольку топливо и окислитель постоянно поступают к разным электродам. На одном электроде топливо окисляется, а на другом окислитель восстанавливается. Ток поддерживается до тех пор, пока подача веществ продолжается и продукты реакции удаляются.

Сравнение химических источников тока

Сначала определите, где находятся реагенты: внутри корпуса или поступают извне. Затем проверьте обратимость реакции и способ поддержания тока. Такая последовательность помогает не путать аккумулятор с обычным гальваническим элементом.

Разбор задач

Определение электродов по направлению электронов

Условие: во внешней цепи электроны движутся от железного электрода к серебряному; в растворе присутствуют ионы Fe²⁺ и Ag⁺. Определите анод и катод.

1. Электроны движутся от места их образования, значит железный электрод отдаёт электроны.
2. Отдача электронов — это окисление: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Следовательно, железный электрод является анодом.
3. Серебряные ионы принимают электроны: Ag⁺ + e⁻ → Ag. Значит, серебряный электрод является катодом.

Ответ: анод — Fe, катод — Ag; на аноде идёт окисление, на катоде — восстановление.

Элемент Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu

Условие: составьте полуреакции и суммарное уравнение для цинково-медного гальванического элемента.

1. Стандартный потенциал пары Cu²⁺/Cu выше, чем у Zn²⁺/Zn, поэтому восстановление идёт на медном электроде.
2. На аноде цинк окисляется: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻.
3. На катоде восстанавливаются ионы меди: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.
4. Складываем полуреакции и сокращаем электроны: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu.

Ответ: анод — Zn, катод — Cu; суммарная реакция: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu.

Расчёт ЭДС по потенциалам

Условие: стандартные потенциалы электродов равны E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 В и E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 В. Найдите ЭДС, направление электронов и суммарную реакцию.

1. Больший потенциал имеет медный электрод, поэтому он является катодом, а цинковый — анодом.
2. Вычитаем потенциал анода из потенциала катода: E° = 0,34 − (−0,76) = 1,10 В.
3. Электроны движутся от цинка к меди.
4. Полуреакции дают суммарное уравнение Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu.

Ответ: ЭДС равна 1,10 В; электроны идут от Zn к Cu, реакция самопроизвольна в указанном направлении.

Типичные ошибки

Электроны движутся внутри электролита. Так считают, потому что ионы тоже переносят заряд. На самом деле электроны идут по металлической внешней цепи, а в электролите заряд переносят катионы и анионы; проверяйте, о какой части цепи говорится.

Анод и катод определяют только по знаку. Знаки электродов меняются при переходе от гальванического элемента к электролизу. Надёжный критерий неизменен: анод — окисление, катод — восстановление.

Любой источник можно перезарядить. Такая ошибка возникает из-за внешнего сходства батареек и аккумуляторов. Проверьте, обратима ли реакция: обычный гальванический элемент не предназначен для восстановления зарядкой.

Потенциалы вычитают в неправильном порядке. Если поменять их местами, получится отрицательная ЭДС для самопроизвольного процесса. Используйте правило E = Eкатода − Eанода.

Связь с другими темами

Для понимания источников тока нужны окислительно-восстановительные реакции, степени окисления и электронный баланс. Электродные потенциалы и ЭДС связаны с электролитической диссоциацией и движением ионов в растворах. Эти знания пригодятся при изучении электролиза, коррозии металлов, аккумуляторов и топливных элементов.

Что запомнить

• Химический источник тока превращает энергию химической реакции в электрическую.
• В источнике тока окисление и восстановление происходят на разных электродах.
• Анод — электрод, на котором происходит окисление; катод — электрод, на котором происходит восстановление.
• Во внешней цепи электроны движутся от анода к катоду.
• ЭДС связана с разностью электродных потенциалов катода и анода.
• Аккумулятор можно зарядить, вызвав обратную химическую реакцию.
• Топливный элемент работает при непрерывной подаче реагентов.