Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 14. Хімічні джерела електричного струму

Пригадайте: окиснення — це процес віддавання електрона, відновлення — приймання електрона.

Поняття про гальванічний елемент

Багато хімічних реакцій супроводжуються виділенням енергії. У більшості випадків ця енергія виділяється у вигляді теплоти (іноді світла), яку потім перетворюють за допомогою різних приладів на інші види енергії (механічну, електричну тощо). Оскільки сьогодні з'являється все більше різноманітних електричних приладів, то дуже актуальними є джерела електричного струму.

1800 року Алессандро Вольта вперше презентував пристрій, що перетворює хімічну енергію безпосередньо на електричну — вольтів стовп. Він назвав його гальванічним елементом на честь Луїджі Гальвані. У гальванічному елементі виникає спрямований рух електронів унаслідок перетворення енергії, яка вивільняється під час окисно-відновних реакцій, на електричну.

Алессандро Джузеппе Антоніо Анастасіо Вольта (1745-1827)

Фізик і хімік. Уперше сконструював хімічне джерело струму

Особливістю окисно-відновних реакцій у гальванічному елементі є те, що електрони від відновника до окисника переносяться не безпосередньо від однієї частинки до іншої, а зовнішнім електричним ланцюгом, отже вони можуть здійснювати електричну роботу.

Луїджі Гальвані (1737-1798)

Лікар, фізіолог і фізик. Уперше виявив «тваринну електрику»

Класичним прикладом гальванічного елемента є елемент Якобі-Даніеля (мал. 14.1). Він складається з двох резервуарів, заповнених розчинами солей: цинк сульфату та купрум(ІІ) сульфату. Для замкнення електричного ланцюга обидва розчини з'єднані так званим сольовим містком — тонкою трубкою, заповненою розчином будь-якого сильного електроліту. У розчин цинк сульфату занурений цинковий електрод (пластина або стрижень), а в розчин купрум(ІІ) сульфату — мідний електрод. Ці електроди сполучаються металевим дротом, по якому і йде електричний струм.

Мал. 14.1. Найпростіший гальванічний елемент Якобі-Даніеля

Чому ж цей пристрій є джерелом електричного струму? Між мідною пластиною і розчином купрум(ІІ) сульфату встановлюється рівновага обміну йонами Cu2+ та електронами:

Cu2++ 2e- ⇄ Cu0

при цьому скільки йонів осаджується на пластині, стільки ж і потрапляє в розчин. В іншому резервуарі з розчином цинк сульфату ZnSO4 та цинковою пластинкою також встановлюється рівновага:

Zn2+ + 2e- ⇄ Zn0

У ряду активності цинк розташований лівіше за мідь, отже, він більш активний відновник і легше віддає електрони, ніж мідь. Унаслідок цього в металевому дроті відбувається спрямований рух електронів від цинкової пластинки (аноду) до мідної (катоду) — виникає електричний струм. Одночасно на цинковому електроді виникає нестача електронів, завдяки чому рівновага, що встановилася на ньому, зміщується в бік утворення йонів Zn2+:

Zn0 Zn2+ + 2e-

А на мідному електроді виникає надлишок електронів, і рівновага зміщується в бік осадження йонів Cu2+ на пластинці:

Cu2+ + 2e- → Cu0

Сумарний процес, що відбувається на двох електродах, можна зобразити рівнянням:

Zn0 + Cu2+ Cu0 + Zn2+

Це рівняння фактично описує взаємодію між цинком та купрум(ІІ) сульфатом, у якому більш активний цинк витісняє мідь із її солі:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Ця реакція може відбуватися, коли просто занурити цинкову пластинку в розчин купрум(ІІ) сульфату. Але якщо додати необхідні складові гальванічного елемента, то перебіг цієї реакції створює умови для здійснення електричної роботи. Тобто гальванічний елемент є пристроєм, який перетворює енергію хімічної реакції безпосередньо на електричну енергію. Через це гальванічні елементи також називають хімічними джерелами струму (ХДС).

Різновиди та характеристики гальванічних елементів

Гальванічний елемент, схожий на той, що ми розглянули, можна скласти з двох майже будь-яких металевих пластин, занурених у розчини їхніх солей. Такі елементи будуть відрізнятися значенням електрорушійної сили (ЕРС): чим більша різниця активності металів (тобто чим далі один від одного вони розташовані в ряду активності), тим більшу ЕРС матиме гальванічний елемент. Утім, ЕРС залежить не тільки від активності металів.

Стандартний елемент Якобі-Даніеля має ЕРС близько 1,3 В. Сьогодні більшість гальванічних елементів мають ЕРС у межах 0,8-2,1 В. Наприклад, звичайні електричні батарейки (які також є гальванічними елементами) мають ЕРС = 1,5 В. Теоретично можливо сконструювати гальванічний елемент з ЕРС майже 6,5 В, але практично — це в дуже далекій перспективі.

Хоча сконструйовано багато різновидів гальванічних елементів, найпоширенішими є три: стандартні електричні батарейки, паливні елементи та акумулятори.

Особливістю паливних елементів є те, що окисно-відновна реакція, яка відбувається в них, — це реакція повного окиснення рідкого або газуватого палива (водню, метанолу тощо) киснем повітря.

Електричні акумулятори — це також гальванічні елементи, але, завдяки особливостям конструкції та використаних матеріалів, їх можна відновлювати — регенерувати.

У гальванічних елементах із часом упродовж роботи витрачаються певні речовини або відбуваються інші процеси, унаслідок яких ЕРС знижується. На відміну від одноразових елементів, акумулятори можна відновити майже до первісного стану, підключивши їх до зовнішньої електричної мережі. Під дією зовнішнього джерела струму окисно-відновна реакція всередині акумулятора перебігає у зворотному напрямку — відбувається зарядка акумулятора.

Хімічні джерела струму навколо нас

Найпоширенішим у побуті хімічним джерелом струму є елемент Лекланше, який ми зазвичай називаємо батарейкою. Вони бувають різного розміру й форми, з різною електричною ємністю, але внутрішня будова в них подібна (мал. 14.2, а).

Мал. 14.2. Хімічні джерела струму: а — елемент Лекланше (батарейка); б — ртутна батарейка; в — кислотний свинцевий акумулятор

Ртутні батарейки широко використовують у калькуляторах, наручних годинниках, як джерело струму для материнських плат комп'ютерів (мал. 14.2, б).

Кислотний свинцевий акумулятор є в будь-якому автомобілі й використовується для підпалювання паливно-повітряної суміші у двигуні внутрішнього згоряння (мал. 14.2, в). Свинцеві електроди цього акумулятора занурені в 33%-й розчин сульфатної кислоти. Генерація струму відбувається внаслідок реакції:

ЕРС зарядженого свинцевого акумулятора близько 2 В. Їх також використовують у джерелах безперебійного живлення, тролейбусах та трамваях, морських кораблях тощо. Найбільші недоліки таких акумуляторів: необхідність періодично замінювати концентровану сульфатну кислоту, громіздкість та велика маса.

Лужні акумулятори позбавлені недоліків кислотних. Але вони дають меншу напругу: ЕРС зарядженого нікель-кадмієвого акумулятора дорівнює близько 1,36 В. Крім того, у них часто використовують метали, потрапляння яких у довкілля є дуже небезпечним (зокрема ртуть, кадмій тощо). Їх широко застосовують там, де необхідні акумулятори невеликого розміру (побутові прилади), а також там, де маса й розміри є критичними параметрами (літаки та підводні човни).

Літій-іонні та літій-полімерні акумулятори дедалі частіше застосовують в електронних пристроях: смартфонах, ноутбуках, фото- та відеокамерах тощо. У них електродами зазвичай є алюмінієва та мідна фольга, а носієм заряду — йони Літію Li+. У літій-іонних акумуляторів є значний недолік: протягом тривалої експлуатації всередині них накопичується водень, унаслідок чого вони «розпухають», а також починають дуже нагріватися під час зарядження і стають вогненебезпечними. Літій-полімерні акумулятори позбавлені цих недоліків, тому їх використовують частіше.

Останнім часом почали активно розробляти паливні елементи. Їх особливістю є те, що реагенти до них потрапляють ззовні: паливо (водень, метан, метанол тощо) зберігається в окремому контейнері (і його можна взяти із собою в запас), а кисень потрапляє до реактора із повітря (мал. 14.3).

Мал. 14.3. Загальна схема паливного елемента

2006 року компанія Panasonic першою розпочала випуск портативних паливних елементів, а сьогодні їх уже виготовляють декілька виробників. Як паливо в цих елементах використовують метанол. Такі пристрої стануть у пригоді там, де немає можливості підзарядити акумулятор від зовнішнього джерела струму, наприклад у пустелі чи лісі.

Виробники автомобілів активно розробляють моделі паливних елементів для використання в електромобілях (мал. 14.4). Ефективність перетворення хімічної енергії пального на механічну енергію руху набагато вища, якщо здійснювати це через електричну енергію (у паливному елементі), ніж через теплову (у двигуні внутрішнього згоряння).

Мал. 14.4. Загальна схема електромобіля

Ключова ідея

Гальванічні елементи — набагато економічніші й ефективніші пристрої для перетворення енергії хімічних зв'язків на корисну роботу.

Контрольні запитання

189. Що називають гальванічним елементом? Що таке хімічні джерела струму?

190. Унаслідок яких особливостей перебігу хімічних реакцій гальванічний елемент генерує електричний струм?

191. Визначте особливості паливних елементів та електричних акумуляторів.

192. Схарактеризуйте поширеність гальванічних елементів у побуті та техніці.

Завдання для засвоєння матеріалу

193. Опишіть роботу гальванічного елемента, що складається з:

а) срібла, магнію, розчинів аргентум(І) нітрату та магній нітрату;

б) мангану, нікелю, манган(ІІ) сульфату та нікель(ІІ) сульфату.

Який з електродів є анодом, а який — катодом? Порівняйте ЕРС цього гальванічного елемента з ЕРС елемента Якобі-Даніеля.

Завдання з розвитку критичного мислення

194. У шкільній лабораторії учні досліджували роботу батарейок. У їхньому розпорядженні було три батарейки, промаркованих такими позначеннями на етикетках: rechargeable, alkaline та heavy-duty. Різні батарейки поміщали в одну й ту саму іграшку і через певні проміжки часу вимірювали ЕРС батарейок. За результатами вимірювань побудували графік. Який тип батарейок слід використовувати за необхідності, щоб вона працювала якомога довше? Які батарейки «виснажаться» найшвидше?

195. Визначте, яким може бути склад гальванічного елемента (матеріал електродів та склад електролітів), у якому відбуваються процеси:

на аноді: Ni0 + 2OH- - 2e- → Ni(OH)2;

на катоді: Ni(OH)3+ e- → Ni(OH)2+ OH-.

Складіть сумарне молекулярне рівняння хімічної реакції в цьому елементі.

196. Корозія металів — це поширений, але шкідливий і небажаний процес, що іноді може спричинити значні неприємні наслідки. Корозія заліза відбувається за реакцією: 4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3. Як ви вважаєте, чи можна корозію кузова автівки використати з користю, наприклад, для генерації електроенергії?

Міні-проекти

197. Проаналізуйте написи на етикетках комерційно доступних вам акумуляторів і батарейок та прокоментуйте склад цих пристроїв. Що означають написи на етикетках «Hg-Cd free»? Як ви вважаєте, навіщо необхідно зазначати цю інформацію?

198. Мідні кристали.

Електрохімічні реакції можуть стати в пригоді для вирощування кристалів металів. Для вирощування кристалів міді на дно посудини помістіть мідний купорос масою 20-30 г і засипте його кухонною сіллю масою 20 г. Шар солі накрийте прокладкою з тканини або фільтрувального паперу так, щоб вона прилягала до бокових стінок посудини. Зверху на прокладку покладіть залізну пластинку. Потім долийте насичений розчин кухонної солі так, щоб він покривав пластинку на 1 см. Чим довше тримати пластинку в такому «реакторі», тим більшими й різноманітнішими за формою будуть кристали.

199. Лимонний гальванічний елемент.

Обережно почавіть лимон, щоб не здерти шкірку, та зробіть два невеликі розрізи на його протилежних боках. У розрізи вставте цинкову та свинцеву пластинки, з'єднайте їх із вольтметром і визначте показники (мал. а). Повторіть дослід, використовуючи інші наявні металеві пластини (стрижні або фольгу) в різних комбінаціях. Поясніть отримані результати. Для точніших вимірювань замість одного лимона можна використати низку послідовно з'єднаних лимонних гальванічних елементів (мал. б). Замість лимона можна використати апельсин або інший фрукт. Дослідіть, чи залежать показники вольтметра від використаного фрукта. Пам'ятайте! Після дослідів використані фрукти їсти не можна!

Перевірте свої знання за темою «Хімічні реакції», виконавши тестові завдання на сайті.