Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

§ 12. Поняття про гальванічний елемент як хімічне джерело електричного струму

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • пояснювати принцип дії гальванічного елемента;
  • оцінювати негативний уплив на довкілля відпрацьованих гальванічних елементів та дотримуватися правил їхньої утилізації.

Гальванічний елемент - це пристрій для перетворення хімічної енергії на електричну внаслідок самочинного перебігу окисно-відновних реакцій. На рисунку 12.1 зображено мідно-цинковий гальванічний елемент Даніеля - Якобі. Які реакції відбуваються на його електродах?

На аноді окиснюється цинк:

Zn0 - 2е = Zn2+.

Унаслідок цього атоми Цинку перетворюються на йони, які переходять у розчин, а цинковий анод розчиняється, його маса зменшується. Зверніть увагу, що анод у гальванічному елементі є негативним електродом (за рахунок електронів, отриманих від атомів Цинку) на відміну від процесу електролізу, де його підключено до позитивного полюса зовнішнього джерела електричного струму.

Рис. 12.1. А. Схематичне зображення гальванічного елемента. 1. Цинковий анод. 2. Мідний катод. 3. Водний розчин цинк нітрату (уміст солі 1 моль/л). 4. Водний розчин купрум(ІІ) нітрату (уміст солі 1 моль/л). 5. Сольовий місток (водний розчин натрій хлориду). 6. Гальванометр. Б. Фото анода і катода

Електрони від атомів Цинку зовнішнім електричним колом (металевим провідником) рухаються до катода, де відбувається відновлення катіонів Купруму(ІІ) з водного розчину його солі:

Сu2+ + 2е = Сu0.

Унаслідок цього утворюються атоми Купруму, які осідають на поверхні катода, маса якого збільшується. Катодом у гальванічному елементі є позитивно заряджений електрод. Сумарне рівняння реакції, що відбувається в мідно-цинковому гальванічному елементі, таке:

Zn0 + Cu2+ = Zn2+ + Cu0.

Спрямований та упорядкований потік заряджених частинок (у даному випадку електронів) - це електричний струм, який виникає в зовнішньому ланцюзі гальванічного елемента.

Поясніть, чому електрони рухаються від атомів Цинку до йонів Купруму, а не навпаки. За потреби скористайтеся рядом активності металів.

Цікаво і пізнавально

SALt (Sustainable Alternative Lighting) - лампа, яка може горіти протягом 8 годин на одній склянці води і двох чайних ложках солі. Волонтер Грінпіс і за сумісництвом інженерка університету De La Salle Айса Міжено (Aisa Mijeno, рис. 12.2) прийшла до ідеї створення «соляного світильника» під час перебування в місцевих філіппінських племенах. Це світлодіодна лампа, джерелом енергії для якої є гальванічний елемент. За словами винахідниці, готовий продукт - сольова батарея - не тільки забезпечить світлом будинки без центральної електромережі, а й дасть змогу заряджати мобільні пристрої (смартфони, планшети) через USB-πορτ, убудований у бічну частину лампи.

Рис. 12.2. Айса Міжено та її винахід

Гальванічні елементи й довкілля. Від часів Луїджі Гальвані та Алессандро Вольта (рис. 12.3) створено багато різновидів хімічних джерел струму, які принесли величезну користь людству. Проте масове використання їх приховує неабиякі небезпеки. Які саме? Вашого життєвого досвіду цілком достатньо, щоб, проаналізувавши рисунок 12.4, назвати найголовніші з них і запропонувати способи розв’язування цієї нагальної проблеми (зробіть це).

Рис. 12.3. 1. Луїджі (Алоїзій) Гальвані (1737-1798, Італія) - медик і фізик, засновник електрофізіології. 2. Алессандро Джузеппе Вольта (1745-1827, Італія) - фізик і фізіолог, засновник електродинаміки. Створив перше найпростіше хімічне джерело струму (1799), яке назвав на честь свого друга, Луїджи Гальвані, гальванічним елементом

Поясніть, що зображено на рисунку 12.4, та запропонуйте назву до нього.

https://www.youtube.com/watch?v=Rt7-VrmZuds

https://www.youtube.com/watch?v=C26pH8kC_Wk

https://www.youtube.com/watch?v=wKKMM-YH4t0

http://batareiky.in.ua/

Рис. 12.4.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Гальванічний елемент - це пристрій для перетворення хімічної енергії на електричну внаслідок самочинного перебігу окисно-відновних реакцій.

• Використання батарейок потребує дотримання правил безпеки й правильного утилізування їх.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. Опишіть процеси, які відбуваються в гальванічному елементі, зображеному на рисунку 12.5. Визначте, катодом чи анодом є мідна пластинка в ньому, і поясніть чому.
  • 3. Схематично зобразіть срібно-цинковий гальванічний елемент і опишіть процеси, що відбуваються в ньому.
  • 4. Головними складниками сухих гальванічних елементів - батарейок - є цинк, сталь, нікель, манган(ІV) оксид, графіт або сажа, папір, пластик, водний розчин калій гідроксиду або цинк хлорид з добавками амоній хлориду, літій хлориду, кальцій хлориду, меркурій(ІІ) хлориду, хром(ІІІ) сульфату. Поміркуйте й поясніть, які корисні продукти можна добути внаслідок комплексної переробки батарейок. Відповідь оформте на власний розсуд, наприклад як ілюстровану схему.

Рис. 12.5. Срібно-мідний гальванічний елемент

Творча майстерня

  • 5. Розробіть сценарій заходу, спрямованого на формування культури використання батарейок для: а) молодшого учнівства; б) мешканців і мешканок вашого будинку.