§ 46. Химические источники то

Определения и обозначения

Химический источник тока — устройство, в котором энергия самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую. Иными словами, реакция создаёт условия для направленного движения электронов. Такие устройства позволяют получать электрический ток за счёт химических превращений.

Гальванический элемент — источник тока, в котором окисление и восстановление идут на разных электродах, а электроны перемещаются по внешней цепи. Электрод — проводник, соприкасающийся с раствором электролита. Разделение процессов нужно, чтобы электронный перенос можно было направить через проводник и использовать.

Электродный потенциал — характеристика способности электрода в данных условиях отдавать или принимать электроны относительно выбранного электрода сравнения. Потенциалы сравнивают, чтобы определить, на каком электроде вероятнее окисление, а на каком — восстановление. Значение зависит от природы веществ и условий, поэтому для сравнения указывают, например, стандартные потенциалы.

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента — разность потенциалов его электродов при разомкнутой внешней цепи. Она показывает, насколько сильно элемент способен создавать электрическое напряжение до подключения потребителя. При обозначении потенциалов ЭДС вычисляют как потенциал катода минус потенциал анода.

Как это устроено

Самопроизвольная ОВР может стать источником тока, если её окислительную и восстановительную части разделить. При окислении частицы отдают электроны, а восстановителю они необходимы, но при непосредственном контакте перенос происходит прямо между реагентами. Тогда электроны не проходят по внешнему проводу, и получить от реакции электрический ток нельзя. Разнесение полуреакций по разным электродам вынуждает электроны двигаться по соединяющему их проводнику.

Обычно элемент состоит из двух электродов, каждый из которых погружён в раствор электролита, то есть вещества, распадающегося в растворе на ионы. Электроды соединяют внешним проводником, а растворы — солевым мостиком или пористой перегородкой. Проводник даёт электронам путь между электродами, но без связи растворов быстро возник бы избыток зарядов. Ионный контакт позволяет компенсировать это накопление, поэтому реакция может продолжаться.

На аноде гальванического элемента частицы отдают электроны, то есть окисляются; на катоде частицы принимают электроны и восстанавливаются. Поэтому электроны возникают у анода и по внешней цепи направляются к катоду, где расходуются. Избыток электронов делает анод отрицательным, а их уход к катоду связан с положительным зарядом катода. Названия электродов определяются процессами: анод всегда связан с окислением, катод — с восстановлением.

Во время реакции в растворах меняется количество ионов, и без компенсации зарядов электрическое поле мешало бы дальнейшему переносу электронов. Солевой мостик содержит подвижные ионы, которые переходят в растворы и поддерживают их электронейтральность: анионы обычно направляются к аноду, катионы — к катоду. Так мостик замыкает внутреннюю цепь, не перенося электроны. Внешняя цепь для электронов и внутренняя ионная связь вместе обеспечивают непрерывную работу элемента.

Электродные потенциалы позволяют заранее определить направление самопроизвольной реакции. Электрод с более высоким потенциалом становится катодом, где идёт восстановление, а электрод с более низким — анодом, где идёт окисление. ЭДС вычисляют по формуле E = φкатода − φанода; при самопроизвольной работе разность положительна. Если при выбранном направлении получается отрицательное значение, самопроизвольным будет обратное направление реакции.

Устройство и работа гальванического элемента

Чтобы заполнить таблицу для конкретного элемента, сначала установите, где идёт окисление и восстановление, а затем определите направление переноса электронов и знаки. Изменение массы зависит от того, участвует ли сам металл электрода: инертный электрод может не менять массу. Полуреакции показывают, какие частицы отдают или принимают электроны.

Разбор задач

Задача 1. Для элемента Zn|Zn²⁺||Cu²⁺|Cu определите анод и катод, направление движения электронов и запишите полуреакции. Нужно связать металл каждого электрода с его способностью отдавать электроны или принимать их ионы. Затем проверим, что число электронов, отданных в одной полуреакции, равно числу принятых в другой.

1. Цинк легче окисляется, чем медь: атомы Zn переходят в раствор как Zn²⁺, отдавая электроны. Поэтому цинковый электрод — анод.

2. Ионы Cu²⁺ принимают электроны и превращаются в металлическую медь. Медный электрод — катод, а электроны движутся по внешней цепи от Zn к Cu.

3. Записываем полуреакции с одинаковым числом электронов: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻; Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Электроны сокращаются, если сложить полуреакции.

Ответ: анод — Zn, катод — Cu; электроны идут от цинка к меди. Полуреакции: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ и Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.

Задача 2. По стандартным электродным потенциалам пары Zn²⁺/Zn (−0,76 В) и Cu²⁺/Cu (+0,34 В) определите самопроизвольную реакцию и ЭДС. Важно сравнить именно потенциалы восстановления: больший потенциал указывает, где выгоднее принимать электроны. После этого разность берут в одном порядке — катод минус анод.

1. Потенциал Cu²⁺/Cu выше, поэтому медный электрод становится катодом и на нём восстанавливаются ионы Cu²⁺. Цинк с более низким потенциалом служит анодом и окисляется.

2. Складываем полуреакции: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ и Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu. Общая реакция: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu.

3. Вычисляем ЭДС: E = φкатода − φанода = 0,34 − (−0,76) = 1,10 В. Положительное значение подтверждает самопроизвольность выбранного направления при стандартных условиях.

Ответ: самопроизвольно протекает реакция Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, ЭДС равна 1,10 В.

Задача 3. Составьте схему элемента для реакции M + N²⁺ → M²⁺ + N и укажите движение ионов через солевой мостик. Металл M окисляется, а ион N²⁺ принимает электроны, поэтому полуреакции сразу определяют расположение электродов. Для мостика нужно учитывать, в каком растворе накапливается заряд каждого знака.

1. На аноде запишите M → M²⁺ + 2e⁻, на катоде — N²⁺ + 2e⁻ → N. Схема элемента: M|M²⁺||N²⁺|N.

2. Электроны во внешнем проводнике идут от M к N. В анодном растворе появляются дополнительные положительные ионы M²⁺, поэтому к нему направляются анионы мостика.

3. У катода расходуются катионы N²⁺, поэтому для компенсации заряда к катодному раствору перемещаются катионы мостика. Через солевой мостик движутся ионы, а не электроны.

Ответ: анод — M, катод — N; схема M|M²⁺||N²⁺|N. Анионы мостика идут к аноду, катионы — к катоду.

Типичные ошибки

Ошибка: называть анод гальванического элемента положительным, а катод отрицательным. Так путают гальванический элемент с электролизёром, где знаки задаёт внешний источник тока. Проверка простая: в работающем гальваническом элементе на аноде образуются электроны, поэтому он отрицательный, а катод положительный.

Ошибка: считать, что электроны движутся от катода к аноду. Это направление перепутано с направлением условного электрического тока, который считают противоположным движению электронов. Проследите за полуреакциями: на аноде электроны выделяются, на катоде поглощаются, значит, по внешней цепи они идут от анода к катоду.

Ошибка: при расчёте ЭДС вычитать потенциал катода из потенциала анода. Причина — забытый порядок сравнения электродов или попытка ориентироваться только на знаки чисел. Запишите формулу E = φкатода − φанода и подставьте потенциалы в скобках; для самопроизвольного направления результат должен быть положительным.

Ошибка: полагать, что солевой мостик переносит электроны. Это смешение внутренней и внешней частей электрической цепи: электроны проходят через металлический проводник, а мостик проводит ток за счёт движения ионов. Чтобы проверить ответ, назовите переносчики заряда отдельно для каждого участка: электроны снаружи, катионы и анионы внутри.

Связь с другими темами

Для понимания гальванических элементов нужны знания об окислении и восстановлении, степенях окисления, полуреакциях и движении электронов в ОВР. Тема также опирается на свойства металлов и растворов электролитов: именно они определяют реакции на электродах и перенос ионов. Понятие электродного потенциала помогает сравнивать склонность веществ к окислению и восстановлению. Эти знания пригодятся при изучении аккумуляторов, электролиза и коррозии металлов.

Что запомнить

• В химическом источнике тока энергия реакции превращается в электрическую.
• В гальваническом элементе окисление происходит на аноде, восстановление — на катоде.
• Во внешней цепи электроны движутся от анода к катоду.
• В гальваническом элементе анод имеет отрицательный знак, катод — положительный.
• Солевой мостик переносит ионы и поддерживает электронейтральность растворов.
• ЭДС элемента равна потенциалу катода минус потенциал анода.