Превращение энергии химической реакции в электрическую энергию

Самопроизвольные окислительно-восстановительные реакции используются в гальванических элементах – устройствах превращающих энергию химической реакции в электрическую энергию.

Рассмотрим процесс возникновения отрицательно заряда на металлическом электроде, опущенном в раствор соли этого металла (рис. 36).

Пластинка металла, опущенная в раствор соли оказывается в неустойчивом состоянии (рис. 36, а). Об этом можно судить по наблюдаемому процессу окисления:

М ₁ ® М ₁⁺ + е^-.

Частицы металла М ₁ в виде ионов переходят в раствор, оставляя электроны на электроде. Процесс растворения прекращается, когда отрицательный заряд электрода достигнет величины, препятствующей дальнейшему переходу положительно заряженных ионов в раствор.

 

 

Рис. 36. Модель возникновения отрицательного заряда на металле, опущенном в раствор соли: а) электронейтральный электрод; б) отрицательно заряженный электрод

 

Электрод, на котором происходит реакция окисления, называется анодом.

Природа металла определяет направления окислительно-восстановительного процесса. Для некоторых металлов при прочих равных условиях наблюдаются реакции восстановления, если опустить металл М ₂ в раствор его соли:

М ₂⁺ + е^-® М ₂.

Электрод приобретает положительный заряд в случае протекания на электроде восстановительной реакции (рис. 37). Катионы металла М ₂⁺ поступают из раствора, достраивают кристаллическую решетку электрода и создают некоторый недостаток электронов на нем.

Электрод, на котором происходит реакция восстановления, называется катодом.

 

 

Рис. 37. Возникновение положительного заряда на металле, опущенном в раствор соли данного металла: а) электронейтральный электрод; б) положительно заряженный электрод

 

Положительно и отрицательно заряженные электроды, соединенные между собой в электрическую цепь, представляют собой гальванический элемент (рис. 38). В замкнутой электрической цепи на электродах самопроизвольно протекают окислительно-восстановительные реакции. Они сопровождаются движением электронов (по металлическому проводнику), а также катионов и анионов (по мостику, содержащему раствор электролита).

Раздельное течение электродных реакций в катодном и анодном пространстве осуществляется в результате растворения металлического анода и осаждения металла на катоде. Энергия движения электронов во внешней цепи может быть превращена в механическую энергию (электромотор) или энергию электромагнитного излучения (свечение лампочки накаливания).

Электрохимическая реакция в гальваническом элементе отличается от химической реакции двумя характерными признаками. Во-первых, отсутствием непосредственного контакта между реагентами и, во-вторых, генерированием электрической энергии.

Рис. 38. Модель гальванического элемента: а) электроды соединены в электрическую цепь металлическим проводником, обладающим электронной проводимостью, и солевым мостиком, обладающим ионной проводимостью; б) гальванический элемент, записанный в строчку

 

Конкретным примером, подтверждающим высказанные выше положения, служит реакция между металлическим цинком и раствором сульфата меди:

При непосредственном контакте между реагентами можно наблюдать, как на поверхности растворяющихся кусочков цинка появляются розовато-красные отложения металлической меди:

Zn(т) + CuSO₄(р-р) ® ZnSO₄(р-р) +Cu(т)

или в ионном виде:

Zn(т) + Cu²⁺(р-р) ® Zn²⁺(р-р) +Cu(т).

В гальваническом элементе, составленном из цинкового и медного электродов:

(-) Zn(т) | ZnSO₄(р-р) || CuSO₄(р-р) | Cu(т) (+)

непосредственный контакт между реагентами исключается. Раздельно идут анодная и катодная реакции:

анод (окисление): Zn⁰(т)= Zn²⁺(р-р) + 2е^-

катод (восстановление): Cu²⁺(р-р) + 2е^- = Сu⁰(т)

Zn⁰(т) + Cu²⁺(р-р) ® Zn²⁺(р-р) +Cu⁰(т)

или

Zn(т) + CuSO₄(р-р) ® ZnSO₄(р-р) +Cu(т).

В таком гальваническом элементе генерируется электрическая энергия.