Ток в работе: электрохимические элементы
В разделе «Для одного потеря — для другого находка» рассматривается реакция, в которой кусочек металлического цинка помещается в раствор сульфата меди (II). В результате этой реакции на поверхности цинка самопроизвольно выделяется металлическая медь. Уравнение этой реакции приведено ниже.
Zn^) + Си2+ — Zn2+ + Си
В рассматриваемом примере обе полуреакции протекают в месте соприкосновения цинка с раствором, так что электроны непосредственно переходят от атомов цинка к ионам меди. Это пример прямого переноса электронов. Цинк отдает два электрона иону Си2+ (и сам при этом окисляется), а ион меди, в свою очередь, принимает электроны (и восстанавливается до металлической меди).
Ток в работе: электрохимические элементы
В главе 8, «Химическая «кухня», также было показано, что если поместить кусочек металлической меди в раствор, содержащий ионы Zn2+, то ничего не произойдет. Дело в том, что цинк отдает электроны легче, чем медь. Кроме того, были приведены ряды активности металлов, с помощью которых можно предсказать, произойдет или нет реакция восстановления (окислительно-восстановительная реакция).
Таким образом, если вы хотите получить на цинке медное покрытие, то у вас для этого есть полезная реакция. Впрочем, не многие из нас горят желанием это делать! Однако можно осуществить эту реакцию таким способом, что окислительная и восстановительная полуреакции окажутся пространственно разделенными, а электроны будут переходить от восстановителя к окислителю не непосредственно, а по проводнику электрического тока — по внешней цепи. Этот направленный поток электронов представляет собой электрический ток. При таком осуществлении окислительно-восстановительной реакции ее энергия будет превращена в электрическую, которую можно использовать, включив во внешнюю цепь устройство, потребляющее электрическую энергию. Устройства, которые применяют для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую энергию, называются гальваническими элементами (элементами Вольта, или химическими источниками электрической энергии). В этом разделе будет показано, как можно пространственно разделить реакцию Zn/Си^, чтобы получать непрямой перенос электронов и таким образом сгенерировать некоторое количество полезной электроэнергии.
В технике гальваническими элементами принято называть только химические источники электрической энергии, в которых протекают практически необратимые реакции. Такие источники тока обычно нельзя перезаряжать: они предназначены для однократного использования (например, химический элемент в карманном фонарике). Химические источники электрической энергии, в которых протекают практически обратимые реакции, называют аккумуляторами: их можно перезаряжать и использовать многократно (например, аккумулятор в автомобиле).
Прекрасен Даниэля элемент
Посмотрите на рис. 9.1, где показан элемент Даниэля, работающий за счет энергии реакции между цинком и сульфатом меди (Zn/Си^). (Этот элемент назван в честь Джона Фредерика Даниэля — британского химика, который изобрел его в 1836 году.)
Этот элемент состоит из медной пластины, погруженной в емкость с раствором сульфата меди (II), и цинковой пластины, погруженной в емкость с раствором сульфата цинка. Эти металлические пластины называются электродами элемента. Они выполняют роль терминала, или хранилища электронов. К электродам подсоединены провода, однако, для того чтобы произошла реакция, необходимо соединить емкости соляным мостом. Соляной мост3 обычно представляет собой U-образную трубку, которую заполняют концентрированным соляным раствором. Такой мост позволяет ионам перемещаться из одной емкости в другую, при этом растворы остаются электрически нейтральными. Чтобы медно-цинковый элемент заработал, необходимо замкнуть цепь.
При замкнутой цепи поток электронов начинает свое течение. Идет простая окислительно-восстановительная реакция — точно такая же, которая была приведена в начале раздела. Цинк окисляется: на поверхности соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди. При этом образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Катионы, находящиеся внутри соляного моста, мигрируют в емкость с медным электродом, чтобы заменить расходуемые ионы меди, а находящиеся внутри этого моста анионы мигрируют в емкость с цинковым электродом, где помогают сохранить электрически нейтральным раствор с образующимися катионами Zn2+.
Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом и обозначается знаком «-». Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом и обозначается знаком «+». В медно-цинковом элементе цинковый электрод является анодом, а медный — катодом.
В электрохимии его также называют электролитическим ключом. — Примеч. ред.
Этот элемент создаст напряжение, которое будет составлять чуть больше одного вольта. Если поместить электроды в концентрированный раствор, то это напряжение станет чуть больше. Что же делать, если вам необходимо получить, например, два вольта? Эту задачу можно решить двумя способами. Либо соединить друг с другом два медно-цинковьгх элемента, чтобы получить два вольта, либо в таблице активности металлов (см. главу 8, » Химическая » кухня») выбрать два металла, разница активности которых больше, чем у цинка и меди. Другими словами, чем дальше металлы находятся друг от друга в ряду активности, тем большее напряжение будет создано элементом.
Да будет свет: элементы для карманных фонариков
Довольно распространенный элемент для карманного фонарика (рис. 9.2), называемый сухим элементом (он не находится в растворе, как элемент Даниэля), состоит из цинкового корпуса, который играет роль анода. Другой электрод, катод, представляет собой графитовый стержень, находящийся в середине элемента. Этот стержень окружен слоем оксида марганца и угольной сажи (одной из многих форм углерода). В качестве электролита используется толстый слой хлорида аммония и хлорида цинка. Ниже приведены реакции, которые происходят в элементе.
Zn^) — Zn2+ + 2e- (анодная реакция/окисление)
2Мп02(т) + 2NEi+ + 2e- — Мп203(т) + 2NH3(р-р) + Н20(ж) (катодная реакция/восстановление)
Обратите внимание на то, что одним из электродов фактически служит корпус, расходуемый в ходе реакции. Таким образом, если толщина корпуса не одинакова, то на месте самого тонкого участка со временем может образоваться отверстие, через которое будет высыпаться едкое содержимое элемента. Кроме того, содержимое элемента может высыпаться из-за реакции, происходящей между хлоридом аммония и металлическим корпусом.
В щелочном сухом элементе (или щелочном аккумуляторе) вместо хлорида аммония (кислая среда) в качестве электролита применяется гидроксид калия (щелочная среда). Благодаря этому разъедание цинкового корпуса значительно замедляется.
Другим элементом с такой же простой конструкцией является маленькая ртутная батарейка, обычно используемая в часах, электрокардиостимуляторах и других устройствах. Эта батарейка, как и обычный сухой элемент, имеет цинковый анод, однако катод выполнен из стали. Оксид ртути (II), Н§0, и некоторое количество щелочной пасты образуют электролит. Во избежание попадания ртути в окружающую среду следует осторожно обращаться с батарейками данного типа.
Все эти гальванические элементы производят электричество до тех пор, пока в них не закончится какой-либо реагент. Другими словами, они предназначены только для однократного использования. Впрочем, имеются элементы (аккумуляторы, батарейки) с возможностью перезарядки, так как окислительно-восстановительную реакцию можно провести в обратном порядке, чтобы заново получить исходные реагенты. К этой категории относятся никель-кадмиевые и литиевые аккумуляторы. Самыми распространенными являются автомобильные аккумуляторы.
Господа, заводите моторы: автомобильные аккумуляторы
Обычный автомобильный, или свинцовый, аккумулятор состоит из шести последовательно соединенных элементов (рис. 9.3). В каждом элементе анодом является свинец, а катодом — диоксид свинца (Pb02). Электроды погружены в раствор серной кислоты (Н2804). Когда вы заводите свой автомобиль, в элементах происходят реакции, уравнения которых приведены ниже.
РЬ(т) + Н2804(р-р) — РЬ804(т) + 2Н+ + 2e- (анод) 2e- + 2Н+ + РЬ02(т) + Н28 04(р-р) — РЬ804(т) + 2Н20(ж) (катод) РЬ(т) + РЬ02(т) + 2Н28 04(р-р) — 2PbS04 + 2Н20(ж) (общая реакция)
Рис. 9.3. Свинцовый аккумулятор
В ходе реакции оба электрода покрываются твердым сульфатом свинца (II) и расходуется серная кислота.
Как только автомобиль заведен, выработку электроэнергии (для свеч зажигания, фар и т.д.) берет на себя генератор, который также подзаряжает аккумулятор. Генератор «поворачивает» в обратную сторону как поток электронов в аккумуляторе, так и первоначальные окислительно-восстановительные реакции, и в результате восстанавливается свинец и диоксид свинца.
2РЬ804(т) + 2Н20(ж) — РЬ(т) + РЬ02(т) + 2Н2804(р-р)
Свинцовый аккумулятор можно многократно разряжать и заряжать. Но тряска от езды по дорожным ухабам либо по обочине приводит к тому, что частичному отслаиванию (осыпанию в виде хлопьев) сульфата свинца (II), что, в свою очередь, приводит к неисправности аккумулятора.
В процессе зарядки аккумулятор ведет себя как электрохимический элемент второго типа, т. е. электролитический элемент, в котором окислительно-восстановительная реакция протекает за счет внешнего источника электрической энергии. С помощью данной реакции можно перезарядить аккумуляторную батарею, а можно получить гальванопокрытие для чайника бабушки Грейс.