Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 63. 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 джерела струму для них є дуже актуальними.

1800 року італійський науковець 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, що вивільнюється під час окисно-відновних реакцій, на електричну.

Алессандро Джузеппе Антоніо Анастасіо Вольта (1745-1827)

Італійській фізик і хімік. Уперше сконструював хімічне джерело струму

Луїджі Гальвані (1737-1798)

Італійський лікар, фізіолог та фізик. Уперше виявив «тваринну електрику»

Особливість окисно-відновних реакцій у гальванічному елементі полягає в тому, що електрони від відновника до окисника переносяться не безпосередньо від однієї частинки до іншої, а зовнішнім електричним ланцюгом, унаслідок чого вони можуть здійснювати електричну роботу.

Класичним прикладом гальванічного елемента є елемент Якобі-Даніеля (мал. 63.1). 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. 63.1. 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 Сu²⁺ та електронами:

Сu²⁺ + 2е^- ⇄ Сu⁰

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⁺ + 2е^- ⇄ 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 (анода) до мідної (катода) — 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⁺ + 2е^-

А на мідному електроді виникає надлишок електронів, і рівновага зміщується в бік осадження йонів Сu²⁺ на пластинці:

Сu²⁺ + 2е^- → Сu⁰↓

Сумарний процес, що відбувається на двох електродах, можна записати схемою:

Zn⁰ + Cu²⁺ → Cu⁰ + Zn²⁺

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

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Сu

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 лише від активності металів.

Стандартний елемент Якобі-Даніеля має ЕРС близько 1,3 В, і, залежно від концентрації солей у розчинах, вона може дещо змінюватися. Можна сконструювати гальванічні елементи з потрібним конкретним значенням ЕРС. 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.

Сьогодні використовують різноманітні гальванічні елементи з різних металів та інших матеріалів, різних за розмірами й призначенням. У деяких випадках розчини солей замінюють твердими електролітами або просочують ними пористі матеріали.

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 елемента 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.

Валентин Вікторович Александров (1916-1998)

Український фізико-хімік. Використовував гальванічні ланцюги для дослідження водних та неводних розчинів електролітів

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. 63.2a). Усередині катодом є цинковий електрод, а анодом — графітовий стрижень із манган(ІV) оксидом. Електроліт — паста з розчину амоній хлориду з борошном або крохмалем для загущення.

Ртутні батарейки широко використовують у калькуляторах, наручних годинниках, як постійне джерело струму для материнських плат комп’ютерів (мал. 63.2б).

Мал. 63.2. Хімічні джерела струму: а — елемент Лекланше (батарейка); б — ртутна батарейка; в — кислотний свинцевий акумулятор

Кислотний свинцевий акумулятор є в будь-якому автомобілі й використовується для підпалювання паливно-повітряної суміші у двигуні внутрішнього згоряння (мал. 63.2в). Свинцеві електроди цього акумулятора занурені в 33%-й розчин сульфатної кислоти. Генерація струму відбувається внаслідок реакції:

Рb + РbО₂(тв.) + 4Н⁺ + 2SO₄^2- → 2РbSО₄(тв.) + 2Н₂О

ЕРС зарядженого свинцевого акумулятора близько 2 В. Окрім автомобілів їх використовують у джерелах безперебійного живлення, тролейбусах та трамваях, морських кораблях тощо. Найбільшими недоліками таких акумуляторів є необхідність періодично замінювати сульфатну кислоту, громіздкість та велика маса.

Лужні акумулятори позбавлені багатьох недоліків кислотних: відсутня необхідність замінювати електроліт, вони набагато легші й компактніші, у них більша електрична ємність. 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 (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, фотокамерах, електромобілях тощо. У них електродами зазвичай є алюмінієва чи 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» і починають дуже розігріватися під час зарядження, тому стають вибухонебезпечними. Літій-полімерні акумулятори позбавлені цих недоліків, тому їх використовують частіше.

Останнім часом почали активно розробляти різні види паливних елементів. 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 з повітря (мал. 63.3).

Мал. 63.3. 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. 63.4). 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. 63.4. Принципова схема електромобіля

Ключова ідея

Гальванічні елементи — економічні й ефективні пристрої для перетворення енергії хімічних зв'язків на корисну роботу.

Цікавий факт

У тілі людини щосекунди виробляються мільйони електричних імпульсів, переважно в нервовій тканині. Отже, у певному сенсі живий організм є хімічним джерелом струму. Так, Луїджі Гальвані, проводячи досліди з жабами, уперше відкрив електрику (так звану «тваринну електрику») ще за 14 років до того, як Алессандро Вольта створив гальванічний елемент. Майже 50 % електрики в тілі людини виробляється мозком, ще 40 % — серцем, а інші 10 % — органами чуття (сітківкою ока, внутрішнім вухом, тактильними, нюховими та смаковими рецепторами). У науковців виникає думка про використання живих організмів як джерел струму. Таку ідею брати Вачовські реалізували у фантастичній кінотрилогії «Матриця».

І хоча концепція «людини-батарейки» фантастична, але наука потрохи наближається до використання енергії людського тіла для живлення певних гаджетів. Наприклад, 2017 року компанія Matrix Industries уже випустила наручний годинник, який повністю живиться енергією тіла людини.

Запитання та завдання

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

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

374. Визначте особливості паливних елементів та електричних акумуляторів.

375. Схарактеризуйте поширеність гальванічних елементів у побуті та техніці.

376. Опишіть роботу гальванічного елемента, що складається з таких речовин:

• а) срібла, магнію, розчинів аргентум(І) нітрату і магній нітрату;
• б) мангану, нікелю, манган(ІІ) сульфату і нікол(ІІ) сульфату.

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

377. Корозія металів — це поширений, але шкідливий і небажаний процес, що іноді може спричинити значні неприємні наслідки. Корозія заліза відбувається за схемою 4Fe + 3О₂ + 6Н₂О = 4Fe(OH)₃. Як ви вважаєте, чи можна корозію кузова автівки використати з користю, наприклад, для генерації електроенергії?