Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
В элементе Вольты (1745—1827) оба электрода — цинковый и медный — погружены в один и тот же раствор серной кислоты H2S04. Последний не содержит ии ионов цинка, ни ионов меди. Однако это имеет место только в первый момент после погружения. В дальнейшем же в раствор входят как ионы цинка, так и ионы меди, а потому этот случай принципиально не отличается от уже рассмотренного.
Если электроды элемента Даниэля соединить проводом, то электроны по этому проводу начнут переходить с отрицательного электрода (цинка) на положительный (медь). От этого заряды обоих электродов по абсолютной величине уменьшатся. Это нарушит равновесие между электродами и электролитами, в которые они погружены. Ионы Zn++ станут слабее удерживаться отрицательным (цинковым) электродом и начнут переходить в раствор, двигаясь при этом в направлении к положительному (медному) электроду. Со своей стороны положительный (медный) электрод станет слабее отталкивать ионы Си++. Последние начнут переходить из раствора и осаждаться на положительном электроде. Что касается ионов SO*-, то у отрицательного электрода образуется недостаток, а у положительного — избыток таких ионов. Короче, потечет электрический ток — во внешней цепи от меди к цинку, а во внутренней от цинка к меди. В результате этого цинк будет растворяться, а медь осаждаться на положительном электроде. Общее же число ионов SO4 " в растворе не изменится, увеличится только их концентрация у цинкового электрода, а у медного уменьшится.
5. Прохождение электрического тока в гальванических элементах может осложняться побочными продуктами, выделяющимися на электродах, а также появлением градиентов концентрации в электролите. Это ведет к возникновению дополнительной электродвижущей силы, направленной против электродвижущей силы самого элемента и ослабляющей величину последней. Такое явление называется электролитической поляризацией или поляризацией гальванических элементов. Примером может служить элемент Вольты (цинковый и медный электроды в растворе серной кислоты). При замыкании элемента положительные ионы Н+ движутся к меди и осаждаются на ней. После длительной работы элемента медный электрод как бы заменяется водородным. Последний обладает способностью посылать в раствор ионы Н" и создавать тем самым дополнительную электродвижущую силу, направленную противоположно электродвижущей силе самого элемента. Электродный
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ II АККУМУЛЯТОРЫ
431
потенциал водорода на 0,337 В ниже электродного потенциала меди (см. табл. 4). По этой причине электродвижущая сила элемента уменьшается примерно на такую же величину. Кроме того, слой водорода, образующийся на медном электроде, увеличивает внутреннее сопротивление элемента. Все это ведет к уменьшению силы тока в цеии, т. е. к поляризации элемента.
Для устранения вредного влияния поляризации элементов можно было бы удалять водород и другие вредные продукты, выделяющиеся на электродах, путем механического перемешивания электролита. Но такой способ может быть эффективным только тогда, когда поляризация возникает из-за градиентов концентрации электролитов. В остальных случаях он мало эффективен. Более эффективны следующие два способа деполяризации элементов, которые и применяются на практике. Первый из них состоит в том, что в элементе применяются две жидкости, подобранные так, что во время работы элемента не происходит изменения состава электродов. Такой способ применяется, например, в эмменте Даниэля. Здесь на медном электроде выделяется медь, и состав этого электрода во время работы элемента не меняется. На цинковом же электроде растворяется цинк, так что не меняется состав и этого электрода.
Второй способ деполяризации гальванических элементов — химический. Он состоит в том, что к электролиту добавляются вещества, активно взаимодействующие с веществами, вызывающими поляризацию. Так, для ослабления вредного влияния водорода, выделяющегося на катоде, деполяризаторами могут служить различные окислители, а в случае кислорода, выделяющегося на аноде,— восстановители. Химический способ применяется, например, в наиболее употребительном элементе — элементе Лекланше. Положительный электрод в этом элементе состоит из угольного стержня, окруженного спрессованной массой перекиси марганца Мп02 и графита (для увеличения электропроводности). Эта масса в свою очередь окружена цинковым листом, который служит отрицательным электродом элемента. Все это погружено в водный раствор хлористого аммония (нашатыря) NH4C1. Электродвижущая сила элемента несколько меньше 1,5 В. На цинковом электроде ионы Zn++ переходят в раствор, заряжая цинк отрицательно. Ионы NH| переходят из раствора на второй электрод, заряжая его положительно. Затем происходят вторичные реакции:
2NH4 = 2NH3 + 2H,
2Н -f- Мп02 == Н20 -f- МпО,
2NH3 + 2H20 = 2NH4(0H).
Перекись марганца Мп02 является сильным окислителем и окисляет выделяющийся водород в воду, как указывает вторая нз этих реакций. Практически элемент Лекланше выпускается в виде так назы-
432
ЭЛЕКТРОЛИТЫ
[ГЛ. VI
ваемых сухих элементов, в которых к раствору электролита добавляются загустители (крахмал, мука). Во избежание испарения воды элемент сверху заливается слоем смолы.
