Вы знаете, что такое электролиз? Да, это окислительно-восстановительный процесс, идущий под действием электрического тока. Конечно, с чего бы это вдруг сульфат меди в водном растворе стал разлагаться? Или расплав хлорида натрия, к примеру? А вот если пропустить через раствор или расплав электрический ток, то разложение любой соли, да и не только соли, происходит "на ура". Электролиз протекает по своим законам. Они элементарны.
А вот что такое гальванический элемент и чем он отличается от электролизной ванны? А может, у них есть что-то общее? Разберёмся.
Гальванический элемент, а мы все знаем его по обычным батарейкам, топливным элементам, аккумуляторам сотовых телефонов и автомобильным аккумуляторам, это химический источник электрического тока. Электрический ток возникает в гальваническом элементе в результате протекания химической реакции. Поток электронов, переходящий от восстановителя к окислителю (помните электронный баланс?) движется по внешнему проводнику, то есть частично выводится из системы и питает потребителя, то есть используется во внешней цепи.
Другими словами, гальванический элемент — это устройство, в котором энергия окислительно-восстановительной химической реакции превращается в электрическую. Обратите внимание, при электролизе происходит обратный процесс - электрическая энергия превращается в энергию химической реакции. Понятно?
Самый простой гальванический элемент называется элементом Даниэля - Якоби и основан на очень простой окислительно-восстановительной реакции:
Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu
Ну, вы знаете, цинковую пластинку помещают в голубой раствор сульфата меди, со временем голубой цвет исчезает, а цинковая пластинка покрывается розовым медным налётом. Окисляется цинк, его можно смело назвать анодом, а восстанавливается медь и она - катод.
Так вот, в гальваническом элементе анодное и катодное пространство разделены.
Металлическая пластинка, опущенная в раствор соли своего металла, называется электродом. Цинковый и медный электроды соединены внешним металлическим проводником, по которому электроны движутся от цинкового анода к медному катоду.
С другой стороны, нужен солевой мостик, по которому в обратном направлении перетекают сульфат-ионы. Потому что они становятся нужны в прианодном пространстве для сохранения баланса зарядов, ведь на катоде будет скапливаться избыточный отрицательный заряд, а на аноде - положительный. Этот заряд будет противодействовать потоку электронов и в какой-то момент (очень скоро) поток электронов прекратится и работа гальванического элемента остановится.
Солевой мостик в самом простом исполнении - это изогнутая полая трубочка, наполненная электролитом. Как на картинке выше. Однако, это может быть и мембрана, и пористый материал, и даже фильтровальная бумага - всё зависит от конструкции самого гальванического элемента. Задача солевого моста - обеспечить движение ионов и сохранять баланс зарядов внутри гальванического элемента.
На аноде, как и в случае электролиза, происходит процесс окисления. Однако, заряд анода здесь - отрицательный. Катодный процесс - восстановление, но знак заряда катода - положительный.
В этом - отличие от электролиза.
Итак, разные задачи у электролиза и гальванического элемента - это разное их устройство. Но в основе и того, и другого - окислительно-восстановительная реакция и электродные процессы: катодный - восстановление и анодный - окисление.
Гальванические элементы могут быть разными, электрическая энергия может быть добыта с помощью самых разных окислительно-восстановительных процессов. Достаточно вспомнить лишь названия - свинцовый аккумулятор, литий-ионный аккумулятор, марганцево-цинковый элемент...
Вот так устроен обычный свинцовый аккумулятор:
Марганцево-цинковый элемент, его ещё называют элементом Лекланше, это химический источник тока, в котором катодом является диоксид марганца MnO2 в смеси с графитом (около 9,5 %), электролитом — раствор хлорида аммония NH4Cl, а анодом — металлический цинк. Вот как он устроен:
В наше время самыми распространёнными аккумуляторами являются литий-ионные элементы питания. Они везде - в сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, электромобилях. Совсем недавно, в 2019 году трое учёных - Уиттингем, Гуденаф и Ёсино даже получили Нобелевскую премию по химии с формулировкой «За развитие литий-ионных аккумуляторов».
Устройство литий-ионного аккумулятора более сложное и тонкое. Во многом даже микроскопическое. Катодный материал помещён на алюминиевую фольгу, анодный - на медную. Катодное и анодное пространства разделены пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус часто оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет свойство внедряться в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, оксиды и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, оксиды (LiMnO2) и соли металлов.
Вот так работают наши телефоны, компьютеры и прочие блага цивилизации. С помощью химических источников электрической энергии.