Гальванический элемент Даниэля-Якоби

Рассмотрим систему, в которой не один, а два каких-нибудь металла, например цинк и медь, в виде пластинок опущены в растворы своих солей.

 

 

Пусть концентрации солей взяты такими, чтобы ионы Zn²⁺ переходили из металла в раствор, а ионы Си²⁺ - из раствора на металлическую пластинку. В этом случае на цинковой пластинке будет избыток электронов, а на медной - избыток положительных ионов (или, что-то же самое, недостаток электронов)

Если пластинки соединить металлическим проводником, то из­быточные электроны с цинковой пластины начнут переходить на медную пластину. Это нарушает равновесие двойного электрического слоя на обеих пластинах. Поэтому с цинковой пластины выделится вновь некоторое число ионов Zn²⁺ в раствор, а на медной пластике разрядится соответствующее число ионов Си²⁺.

В результате снова возникает разность потенциалов между пластинами, снова часть электронов с цинковой пластины перейдет по металлическому проводнику на медную и т.д.

Таким образом, возникает самопроизвольно протекающий процесс, при котором цинковая пластина растворяется, а на медной разряжаются ионы Си²⁺ и выделяется металлическая медь. В результате этого процесса во внешнем проводнике, соединяющем пластины, возникает электрический ток.

Рассмотренный принцип и лежит в основе работы любого гальванического элемента, т.е. устройства, дающего возможность получать электрический ток за счет проведения той или иной химической реакции.

В основе работы всякой гальванической цепи лежит окислительно-восстановительное реакция, проводимая так, что на отрицательном электроде происходит окисление, а на положительном - восстановление.

Так, в основе рассмотренного выше элемента (элемент Якоби) лежит реакция

Zn + Си²⁺ = Zn²⁺ + Cu

Или                         Zn + CuSО₄ = ZnSО₄ +Cu

 

Проводя эту реакцию в гальваническом элементе, мы разделяем процессы окисления и восстановления, осуществляя их на различных электродах. На отрицательном электроде происходит окисление цинка

Zn – 2e = Zn²⁺;

на положительном - восстановление меди

    Си²⁺ + 2e = Cu.

Схематически происходящие процессы можно выразить следующим образом.

Схема гальванического элемента:

 

                 

 

Электрическая работа, получаемая с помощью гальванического элемента зависит от условий, в которых работает элемент, и будет наибольшей, когда элемент работает в условиях, наиболее близких к обратимым. В этих условиях разность потенциалов между электродами элемента максимальна.