Принцип работы гальванических элементов

Простейший медно-цинковый гальванический элемент Вольта (рис. 4.1) состоит из двух пластин (электродов): цинковой 2 (катода) и медной 1 (анода), опущенных в электролит 3 (водный раствор серной кислоты H₂S0₄).

При растворении серной кислоты в воде часть молекул кислоты распадается на положительные ионы водорода H₂⁺ и отрицательные ионы кислотного остатка S0₄^- _.

Одновременно происходит растворение цинкового электрода в серной кислоте. П оложительные ионы цинка Zn⁺ переходят в раствор и соединяются с отрицательными ионами S0₄^- кислотного остатка, образуя нейтральные молекулы сернокислого цинка ZnS0₄.

При этом на цинковом электроде будут скапливаться оставшиеся свободные электроны, вследствие чего этот электрод приобретает отрицательный заряд. В электролите же образуется положительный заряд ввиду нейтрализации части отрицательных ионов S0₄^-.

Таким образом, в пограничном слое между цинковым электродом и электролитом возникает некоторая разность потенциалов и создается электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу положительных ионов цинка в элек­тролит; при этом растворение цинкового электрода прекращается.

Медный электрод практически не растворяется в электролите и приобретает тот же положительный потенциал, что и электролит.

Разность потенциалов медного φ_Сu и цинкового φ_Zn электродов при разомкнутой внешней цепи представляет собой э.д.с. Е рассматриваемого гальванического элемента.

При подключении к электродам гальванического элемента какого-либо приемника электрической энергии по внешней цепи начнет протекать ток I от медного электрода (поло­жительный полюс элемента) к цинковому (отрицательный полюс).

В электролите в это время начнется движение положительных ионов цинка Zn⁺ и водорода от цинковой пластины к медной и отрицательных ионов кислотного остатка S0₄^- от медной пластины к цинковой. В результате нарушится равновесие электрических зарядов между электродами и электролитом, вследствие чего в электролит с катода снова начнут по­ступать положительные ионы цинка Zn⁺, поддерживая на этом электроде отрицательный заряд: на медном же электроде будут осаждать­ся новые положительные ионы. Таким образом, между анодом и катодом все время будет существовать разность потенциалов, необходимая для прохождения тока по электрической цепи.

Элемент Вольта не может долго работать. Ионы водорода на медном электроде создают как бы другой элемент с э.д.с., направленной против основной и ухудшающей электрические свойства элемента. Для нейтрализации добавляют деполяризаторы.