Для школьников (по материалам учебной литературы).
Желательно сначала прочесть статью "На пути к пониманию строения атома ...."
Химические источники электрического тока работают за счёт энергии, выделяемой при химических реакциях (за счёт химической энергии).
Связь физики с химией. Некоторые понятия химии
Прежде чем говорить о работе химических источников тока, коснёмся некоторых нужных нам понятий из химии, этим убедимся, как тесно физика и химия связаны друг с другом.
Физика - наука о природе, она изучает физические свойства веществ, например, плотность, теплопроводность, электропроводность, диэлектрическую проницаемость, радиоактивность веществ и др.
Химия - наука о превращениях веществ. Она изучает строение веществ, условия преобразования одних веществ в другие.
Например, химия рассматривает как свинец при его продолжительном нагревании превращается в окись свинца. Свинец и окись свинца - это два разных вещества, с разными физическими свойствами.
Люди давно знали о химических превращениях веществ - и тысячу лет назад они умели выплавлять металлы из руд. изготовлять сплавы, варить стекло. Но как наука химия началась с Михаила Васильевича Ломоносова (1711 - 1765 г.г.) применившего КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ МЕТОД исследования.
Одним из главных вопросов, занимавших химиков того времени, был вопрос о природе огня и сущности процессов горения и обжигания металлов, вызванный развитием металлургии.
Ещё широко была распространена теория, предложенная в 1673 году Бойлем, согласно которой при обжигании металлов "материя огня" проникает в металлы и, соединяясь с ними, вызывает увеличение их веса.
Ломоносов же был уверен, что увеличение веса металлов при прокаливании может происходить не от проникновения в металл "материи огня", а от соединения металла с окружающим воздухом.
Позднее, путём проведения опытов, Ломоносов подтвердил свои предположения, установив в 1748 году ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ при химических реакциях: "Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции".
Закон сохранения массы лежит в основе всего учения о превращениях веществ.
(Химической реакцией называется превращение одних веществ в другие, отличные от исходных по химическому составу или строению).
Ломоносовым была разработана также ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА, которая говорит о том, что "все вещества состоят из мельчайших частичек, обладающих способностью взаимного сцепления; что свойства веществ и прежде всего его агрегатные состояния обусловлены свойствами этих частичек".
Ломоносов различал два вида таких частиц - более мелкие, соответствующие атомам в современном понимании, и более крупные, которые теперь называем молекулами.
Ломоносов особенно подчеркивал, что "каждая корпускула имеет размер и массу; что движение корпускул объясняет нагревание или охлаждение тел; что корпускулы могут двигаться по законам механики, поэтому химические превращения тел должны изучаться не только методами химии, но и методами физики и математики".
Отметим некоторые открытия в химии после Ломоносова.
Во второй половине 18 века были открыты газы: водород, хлор и кислород. Опираясь на эти открытия, Лавуазье разработал кислородную теорию горения. Он повторил опыты Ломоносова с накаливанием металлов в запаянных сосудах и показал, что при образовании окалины поглощается не весь воздух, находящийся в сосуде, а только кислород; что весь воздух состоит из кислорода и другого газа, не поддерживающего горения, который он назвал азотом.
Производя количественные анализы различных веществ, Лавуазье пришёл к очень важному ВЫВОДУ, что при химических реакциях не только сохраняется общая масса веществ до реакции и после неё, как доказал Ломоносов, но и МАССА КАЖДОГО ИЗ ЭЛЕМЕНТОВ, входящих в состав взаимодействующих веществ, остаётся постоянной.
Косвенно полученные Лавуазье результаты говорили о существовании атомов и сохранении их массы при химических реакциях.
Но для окончательного формирования молекулярной теории не хватало знания законов, определяющих весовые отношения между элементами в сложных веществах. Эти законы (закон постоянства состава и закон кратных отношений) были открыты в конце 18 века.
ЗАКОН ПОСТОЯНСТВА СОСТАВА
Ещё Ломоносов утверждал, что корпускулы (молекулы) сложного вещества должны иметь определённый постоянный состав, такой же, как и всё вещество.
Доказательства этого положения были получены в конце 18 века Прустом после тщательных количественных исследований состава различных веществ, которые привели к установлению закона постоянства состава:
При образовании данного вещества элементы всегда соединяются друг с другом в строго определённом весовом отношении.
ЗАКОН КРАТНЫХ ОТНОШЕНИЙ
В 1803 году Дальтон вывел закон кратных отношений и подтвердил его экспериментально:
Если два вещества образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного вещества, приходящиеся на одну и ту же массу другого вещества, относятся как целые числа (обычно небольшие).
На основе этого закона Дальтон разработал представление об АТОМНОМ ВЕСЕ, решив определить веса атомов всех известных тогда химических элементов.
Так как веса (массы) атомов чрезвычайно малы и определить их взвешиванием не удастся, Дальтон решил определить ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ атомные веса, приняв вес атома водорода за единицу (за атомную единицу массы - а. е. м.).
ИСТОРИЯ ПРИНЯТИЯ УЧЁНЫМИ АТОМНОЙ ЕДИНИЦЫ МАССЫ (а. е. м.)
Такое же решение - принять за единицу массы (а. е. м.) массу атома водорода, было принято учёными на Международном съезде химиков в 1860 году.
Но в 1906 году за а. е. м. химики решили принять 1/16 часть массы атома кислорода - это было для них удобнее, так как кислород образует соединения почти со всеми элементами.
Но когда были открыты три изотопа кислорода и было установлено, что их содержание в природе непостоянно и это приводит к ошибкам в расчётах, от кислородной единичной массы отказались.
В 1958 - 1961 г.г. после исследования и обсуждения было установлено, что из всех элементов таблицы Менделеева на роль единичной массы могут претендовать только фтор и углерод, так как у фтора только один изотоп, у углерода два изотопа, но зато его соединения с водородом очень удобны для непосредственного сравнения масс атомов различных изотопов почти всех элементов.
Голосованием учёных мира путём опроса за а. е. м. было решено принять 1/12 часть массы изотопа "углерод-12", что остаётся справедливым и сейчас:
Модели атомов химических элементов. Химические связи атомов
Покажем начало таблицы Менделеева с изображением моделей атомов химических элементов:
Изображённые на рисунке МОДЕЛИ АТОМОВ, построенные в согласии с опытами Резерфорда, создавшего планетарную модель атома, позволяют многое сказать об атомах этих элементов.
Прежде всего модели атомов показывают, что ЧИСЛО ЭЛЕКТРОНОВ В АТОМАХ каждого элемента РАВНО ПОРЯДКОВОМУ НОМЕРУ элемента в таблице Менделеева; что электроны в атоме распределены по орбитам (энергетическим уровням или энергетическим оболочкам).
Электроны, расположенные на дальней орбите в атоме, называемые ВАЛЕНТНЫМИ электронами, слабее всего связаны с ядром атома. Число валентных электронов в атоме совпадает с номером группы, в которой находится элемент (за некоторым исключением).
(Валентность атома указывает на число ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ, которые данный атом образует с соседними атомами).
Благодаря валентным электронам атом вступает в химическую связь с другим атомом, образуя молекулу. Так молекула водорода образована двумя атомами водорода.
Чтобы два атома Н водорода смогли объединиться в молекулу, они должны сблизиться друг с другом и объединить свои валентные электроны.
На рисунке ниже показана схема строения МОЛЕКУЛЫ ВОДОРОДА.
Связь между атомами водорода осуществляется парой электронов, вращающихся вокруг ядер обоих атомов.
Такая химическая связь, когда атомы объединяют свои валентные электроны, называется КОВАЛЕНТНОЙ.
Атомарный водород стал молекулярным - образовалось другое вещество, с другими физическими свойствами.
Такое объединение двух близко расположенных атомов водорода в молекулу является энергетически более выгодным (наиболее устойчивым), чем существование двух атомов водорода порознь.
Атомам элементов, имеющим малое число валентных электронов энергетически выгоднее ОТДАВАТЬ свои валентные электроны, а атомам с большим числом валентных электронов (например, атомам элементов седьмой группы) энергетически выгоднее ПРИНИМАТЬ электроны от других атомов.
Такая картина наблюдается, например, при образовании молекул поваренной соли. На рисунке ниже изображена химическая реакция между натрием и хлором.
Атом натрия легко теряет свой единственный валентный электрон, превращаясь в положительный ион натрия.
Этот электрон легко захватывается атомом хлора, на внешней оболочке которого недостаёт одного электрона, превращаясь в отрицательный ион хлора.
Разноимённо заряженные ионы натрия и хлора с огромной электрической силой притягиваются друг к другу, обусловливая большую прочность молекулы поваренной соли.
Такая связь атомов в молекулу (как образование молекулы NaCl при объединении атомов Na и Cl) называется ИОННОЙ связью, она возможна между атомами разных элементов.
Атомы являются наиболее устойчивыми, когда на их внешней орбите (электронной оболочке) находится 2 (для гелия) и 8 (для инертных газов) электронов.
В атомах элементов 8 группы таблицы внешняя электронная оболочка полностью заполнена электронами в количестве 8 электронов, что соответствует их наиболее устойчивому энергетическому состоянию.
Эти атомы не образуют молекул (не вступают в химические связи с другими атомами и друг с другом). Поэтому элементы восьмой группы названы ИНЕРТНЫМИ газами.
На рисунке ниже показано, как трудно удалить электрон с внешней оболочки атома аргона, содержащей 8 электронов и как легко удалить единственный электрон с внешней оболочки атома калия.
Атом аргона обладает тремя до предела заполненными электронными оболочками. Все три оболочки очень прочны, их трудно разрушить.
У калия на внешней оболочке находится только один электрон, который очень слабо связан с атомом и легко может оторваться даже при слабых воздействиях. Образовавшийся при этом положительный ион калия очень прочен, он построен так же, как атом инертного (благородного) газа.
Периодичность заполнения электронами внешней электронной оболочки определяет периодичность изменения химических свойств элементов.
Наконец, показанные на рисунке модели атомов позволяют объяснить линейчатые спектров атомов (спектры атомов называются ЛИНЕЙЧАТЫМИ, так как атомы излучают электромагнитные волны только определённых длин или частот, то есть ЛИНИИ СПЕКТРА).
Возьмём самый простой атом - атом водорода.
Мысленно представим такой опыт. Колбу наполнили атомарным водородом. Если к электродам, впаянным в колбу, подвести напряжение U, то водород засветится.
Это будет означать, что атомы водорода пришли в ВОЗБУЖДЁННОЕ состояние, получив дополнительную энергию.
При этом электроны в атомах водорода перешли на более высокую (разрешённую) орбиту, но они вернутся в своё основное состояние с минимальной энергией (на первоначальную орбиту), испустив при этом полученную от электрического поля порцию энергии (квант энергии), т. е. дадут ЛИНИЮ ЛИНЕЙЧАТОГО СПЕКТРА.
Эта линия спектра водорода будет видна на спектрографе, если колба с водородом будет помещена перед щелью спектрографа.
Об этом можно пока не задумываться, так как подробно спектр излучения водорода будет рассмотрен в атомной физике, и всё станет понятно.
Химические реакции. Химические уравнения
Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и связываться между собой внешними (валентными) электронами, образуя молекулы.
Состав молекул выражают химическими ФОРМУЛАМИ.
Так молекулу водорода выражают формулой
которая говорит о том, что эта молекула состоит из двух атомов водорода, объединённых ковалентной связью.
Схема образования молекулы водорода из двух водородных атомов:
Молекула воды выражается формулой
она состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
В то же время формула воды выражает состав воды, говоря о том, что вода - это химическое соединение двух химических элементов (водорода и кислорода).
В твёрдых телах молекула может сохранять или не сохранять свою индивидуальность. Так, в ионных кристаллах нет отдельных молекул, весь кристалл подобен одной молекуле.
ХИМИЧЕСКИМИ РЕАКЦИЯМИ называют превращения одних веществ в другие. Изображаются химические реакции химическими уравнениями, в основе которых лежит открытый Ломоносовым закон сохранения массы.
ХИМИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ показывают, что при химических реакциях молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ, состоящих из тех же атомов, что и исходные молекулы.
Химическое уравнения - это сокращённая запись химической реакции.
В химическом уравнении слева от знака равенства пишут формулы взятых для реакции веществ, а справа - формулы продуктов реакции.
Например, реакция горения газа метана, при которой образуется вода и двуокись углерода, запишется следующим уравнением:
При составлении химических уравнений принимается, что масса полученных веществ равна массе исходных веществ и что число атомов каждого элемента слева и справа от знака равенства должно быть одинаковым (общее число атомов при реакции остаётся неизменным).
Уравнивание числа атомов в левой и правой половинах равенства достигается правильным подбором коэффициентов.
Большинство химических реакций являются окислительно-восстановительными.
Окислительно-восстановительные реакции
(Окислительно-восстановительные реакции лежат в основе работы гальванических элементов - это теория, которую важно понять).
Первоначально (с введением в химию кислородной теории горения Лавуазье в конце 18 века) окислением называли только реакции соединения с кислородом, а восстановлением называли реакции с отнятием кислорода.
С введением в химию электронных представлений (строение атома, кристаллическое строение металлов), понятие окисление-восстановление обобщили на реакции, в которых кислород не участвует.
Рассматривая ПРОЦЕССЫ окисления и восстановления с электронной точки зрения видно, что они всегда сопровождаются ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ЭЛЕКТРОНОВ от одних атомов или ионов к другим, причём окисляющееся вещество теряет электроны, а восстанавливающееся присоединяет их.
Приведём примеры.
Пример 1. Горение магния в кислороде:
Атом магния имеет в наружной оболочке два электрона (в таблице Менделеева расположен во второй группе).
При взаимодействии с кислородом два атома магния Mg отдают 4 электрона молекуле (двум атомам) кислорода и превращаются в положительные ионы магния.
Ионы магния связываются с образовавшимися ионами кислорода в кристаллы окиси магния MgO.
Таким образом, горение (окисление) магния сопровождается отдачей электронов, переходом электронов от магния к кислороду.
Пример 2. Восстановление окиси меди водородом:
В окиси меди CuO ион меди несёт два положительных элементарных заряда.
В процессе реакции электроны переходят от атомов (молекул) водорода к ионам меди.
Медь становится нейтральной (образуется атом меди), а образовавшиеся ионы водорода связываются с ионами кислорода в молекулы воды.
Отсюда видно, что восстановление окиси меди сопровождается присоединением электронов к положительным ионам меди.
Из рассмотренных примеров следует, что всякий ПРОЦЕСС, при котором вещество ТЕРЯЕТ ЭЛЕКТРОНЫ, называется ОКИСЛЕНИЕМ; наоборот, присоединение электронов рассматривается как восстановление.
Окисление какого-либо вещества не может произойти без одновременного восстановления другого вещества, так как потеря электронов одними атомами или ионами связана с присоединением электронов к другим атомам или ионам.
Так, в первом примере при горении магния в кислороде или воздухе происходит окисление магния и одновременно восстановление кислорода; во втором примере при взаимодействии водорода с окисью меди ион меди восстанавливается, а водород окисляется.
Каждая реакция, сопровождающаяся перемещением электронов, является единством двух противоположных процессов - окисления и восстановления, поэтому они и называются окислительно-восстановительными реакциями.
Вещества, атомы или ионы которых присоединяют электроны в процессе реакции, называют ОКИСЛИТЕЛЯМИ, а вещества, отдающие электроны, называют ВОССТАНОВИТЕЛЯМИ.
Окислитель во время реакции отнимает электроны от окисляющегося вещества и сам при этом восстанавливается. Восстановитель, наоборот, теряя электроны, окисляется.
Превращение энергии при химических реакциях
Тщательное изучение всевозможных химических процессов показало, что химическое превращение всегда связано с выделением или поглощением энергии.
Выделение энергии в форме тепла при соединении различных веществ показывает, что эти вещества до соединения уже содержали в себе некоторый запас энергии, но только в скрытой форме.
Эта скрытая в веществе энергия, освобождающаяся только при химических превращениях, называется химической энергией.
Освобождающаяся химическая энергия превращается в другие виды энергии, легче всего химическая энергия переходит в тепловую, но может переходить ещё в световую, электрическую, механическую энергии, а последние могут превращаться в химическую.
Работа химических источников постоянного тока (гальванических элементов) основана на превращении химической энергии в электрическую в процессе окислительно - восстановительной реакции.
Химическая активность металлов
Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны, переходя при этом в положительно заряженные ионы.
Но разные металлы обладают такой способностью в разной степени. Чем легче металл отдаёт свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами.
Ниже показан ряд наиболее важных металлов, химическая активность нейтральных атомов которых уменьшается слева-направо:
Из приведённого ряда следует, что, например, цинк Zn является химически более активным, чем медь Cu. Это значит, что цинк вытесняет медь из её солей, а медь не может вытеснить цинк из его соли.
Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами было подробно изучено Бекетовым в 1865 году, расположившим металлы по мере их убывающей химической активности в так называемый "вытеснительный ряд", который называют ещё РЯДОМ НАПРЯЖЕНИЙ, так как положение каждого металла в ряду точно определяется величиной электрического напряжения, или разности потенциалов, возникающей при погружении данного металла в раствор его соли.
Итак, приведённый выше ряд напряжений позволяет судить о химическом поведении конкретных металлов при реакциях в растворах:
- каждый металл вытесняет (восстанавливает) все следующие за ним металлы из растворов их солей;
- чем левее в ряду напряжений стоит металл, тем он активнее, тем больше его восстановительная способность в отношении ионов других металлов, тем легче его атомы превращаются в ионы.
Теперь, ПРИМЕНЯЯ изложенную выше ТЕОРИЮ, рассмотрим устройство и работу гальванических элементов - химических источников постоянного тока.
Устройство и ЭДС гальванического элемента
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ представляет собой систему, состоящую из двух пластинок, изготовленных из металлов РАЗНОЙ химической активности, помещённых в растворы своих солей.
Можно брать разные сочетания металлов, мы же рассмотрим пластинки из Zn и Cu, помещённые в растворы их солей (рассмотрим гальванический элемент Даниэля):
Zn в ряду напряжений стоит слева, а Cu справа, т. е. цинк является химически более активным, а медь менее активным металлом.
Обе пластинки погружены в растворы своих солей, отделённых друг от друга пористой перегородкой, которая предохраняет растворы от перемешивания, но позволяет ионам переходить из раствора в раствор.
Растворы солей содержат положительные ионы металлов и отрицательные ионы
как следствие явления электролитической диссоциации, когда молекулы соли распадаются в растворе на ионы из-за химического взаимодействия между растворяемым веществом и растворителем.
Цинк, являясь более активным металлов, в растворе соли растворяется быстрее, чем медь. С его поверхности в раствор выходят положительные ионы цинка, заряжая этим Zn пластинку отрицательно.
По мере увеличения концентрации ионов цинка в растворе, процесс растворения металла приостанавливается. Всё большую роль начинает играть обратный процесс - возвращение ионов в металл. Вскоре устанавливается РАВНОВЕСИЕ: число ионов, переходящих в раствор, становится равным числу ионов, осаждающихся из раствора на электроде за то же время.
Вышедшие из пластинки положительные ионы цинка, притягиваясь к зарядившейся отрицательно пластинке Zn, располагаются вдоль её поверхности - создавая ДВОЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ (см. рисунок).
Создаётся определённая РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ между металлом и раствором, характерная для природы металла и растворителя. Эта разность потенциалов не зависит от размеров погруженной части металла, так как равновесие устанавливается у каждого участка поверхности, соприкасающегося с раствором.
Установившаяся между металлом и раствором разность потенциалов называемая ЭЛЕКТРОДНЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ металла.
То же самое происходит с Cu пластинкой, но так как медь является менее активным металлом, количество ионов меди, выходящих из неё мало по сравнению с цинковой пластинкой..
Медная пластинка заряжается слабо (говорят, что она заряжается менее отрицательно, чем цинковая). Если ионов меди в растворе соли много, то ионы меди из пластинки вообще не выходят, а даже, наоборот, притягиваются к ней.
Вблизи поверхности медной пластинки также возникает двойной электрический слой. Между медной пластинкой и раствором её соли тоже устанавливается разность потенциалов (свой ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ).
Опыт показывает, что всегда БОЛЕЕ АКТИВНЫЕ металлы в растворе солей заряжаются ОТРИЦАТЕЛЬНО, а МЕНЕЕ АКТИВНЫЕ металлы заряжаются ПОЛОЖИТЕЛЬНО.
Итак, в растворах своих солей Zn пластинка зарядилась отрицательно, а Cu положительно.
ЭЛЕКТРОДНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ металла может служить мерой его химической активности при реакциях в растворах. Поэтому, измерив потенциалы всех металлов при одинаковых концентрациях их ионов, можно количественно охарактеризовать химическую активность металлов.
Но измерить потенциалы металлов очень трудно. Гораздо легче измерить разность потенциалов между двумя различными металлами, погруженными в раствор соответствующих солей, т. е. узнать насколько потенциал одного металла больше потенциала другого металла.
В качестве стандартного электрода был выбран НОРМАЛЬНЫЙ ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОД, потенциал которого условно приняли за нуль.
Сравнивая потенциалы каждого металла с потенциалом нормального водородного электрода, нашли НОРМАЛЬНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ МЕТАЛЛОВ и занесли их в таблицу.
Согласно проведённым измерениям, нормальный потенциал цинка равен -0,76Вольт, а нормальный потенциал меди равен +0, 34 Вольт.
Установившаяся разность потенциалов между Cu и Zn электродами называется ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛОЙ (ЭДС) гальванического элемента.
Для элемента Даниэля:
ЭДС =0,34 В - (-0,76 В) = 1,1 Вольт.
Определение ЭДС: Электродвижущая сила источника тока численно равна работе А, совершаемой сторонними силами при переносе единичного положительного заряда вдоль контура.
ЭДС гальванического элемента всегда положительная величина.
(К сведению. В ЭЛЕКТРОХИМИИ принято электрод гальванического элемента, на котором идёт реакция окисления (в нашем случае это цинковый электрод) считать анодом. В ФИЗИКЕ же цинковая пластинка названа катодом, что видно из рисунка. Просто запомним это).
Если металлы (Zn и Cu) не связаны между собой проводником, то при установившемся равновесии приостанавливается и дальнейший переход ионов цинка в раствор, и выделение из раствора ионов меди на Cu электроде.
Рабочее состояние гальванического элемента
Мы разобрались как возникает ЭДС, являющаяся основной характеристикой гальванического элемента.
Теперь посмотрим что происходит в работающем гальваническом элементе, когда катод и анод соединили проволокой.
В момент замыкания электродов проволокой в ней мгновенно возникает электрический ток - свободные электроны, накопившиеся на Zn электроде будут перетекать к Cu пластинке, где их недостаёт.
Отрицательный заряд Zn пластинки уменьшается. Существующее в элементе равновесие нарушается.
Zn пластинка отправляет в раствор своей соли всё новые и новые ионы цинка, а к Cu пластинке из её соли будут подходить всё новые и новые ионы меди, которые соединяясь с электронами, пришедшими от Zn пластинки, будут откладываться на Cu пластинке в виде атомов меди.
В результате этих процессов растёт положительный заряд ЦИНКОВОГО РАСТВОРА и уменьшается положительный заряд раствора медной соли (или увеличивается отрицательный заряд раствора медной соли).
НАРУШЕНИЕ электрического РАВНОВЕСИЯ между растворами солей приводит к тому, что отрицательные ИОНЫ
через пористую перегородку переходят из раствора медной соли в раствор цинковой соли, где соединяясь с ионами цинка выпадают в осадок.
Растворение цинка и осаждение меди на медном электроде приводит к тому, что разность потенциалов между электродами сохраняется, и в цепи длительно течёт постоянный ток.
Получается следующая картина. Внутри гальванического элемента электрическое поле направлено от медной пластины к цинковой. Положительные ионы меди двигаются к положительному электроду, а ионы
к отрицательному электроду, т. е. названные ионы двигаются ПРОТИВ действия электрических сил.
Заставляют их так двигаться силы химической реакции (сторонние силы). Благодаря этим сторонним силам электрическая цепь внутри гальванического элемента и замыкается.
Таким образом, носителями электрического тока в проводе являются свободные электроны, а внутри гальванического элемента положительные и отрицательные ионы.
Помещённый ниже рисунок (схема замкнутой электрической цепи) поясняет то, что сейчас описано словами.
Сила тока, текущего в проводе определяется из закона Ома для полной цепи:
Ток в цепи прямо пропорционален ЭДС источника и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи.
Здесь R - сопротивление внешнего участка цепи (провода, лампочки), а r - внутреннее сопротивление источника тока.
Таким образом, в основе работы гальванического элемента лежит окислительно-восстановительная реакция, описываемая следующим уравнением:
Из этого уравнения видно, что цинк в процессе реакции окисляется (разрушается), а медь восстанавливается, что ЦИНК ВЫТЕСНЯЕТ МЕДЬ из её соли.
Процесс окисления цинка идёт с выделением энергии, а реакция выделения меди на медном электроде идёт с поглощением энергии. Разность энергии, освобождающейся при растворении цинка, и энергии, поглощаемой при выделении меди, и есть электрическая энергия.
Идущие в гальваническом элементе процессы являются НЕОБРАТИМЫМИ, реакция продолжается до тех пор, пока не растворится весь цинк или пока не израсходуется вся медная соль.
Другими химическими источниками электрического тока является аккумуляторы. Про аккумуляторы говорится в статье "Устройство и принцип работы аккумулятора".
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Какова природа тока в металлах? Теории электропроводности металлов.
Следующая запись: Электротехника. Электроника. Сведения о науке "Электроника" и принципах работы некоторых электронных приборов.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .