Група 17Т2

Хімія

Заняття№ 44

Тема

Поняття про гальванічний елемент як хімічне джерело електричного струму.

               Люди повсякчас користуються електричним струмом, який виробляють теплові, атомні та гідроелектростанції, а до них все більше долучаються вітрові та сонячні електростанції. Крім зазначених джерел струму, існують хімічні джерела електричного струму — гальванічні елементи.
Вироблення з їхньою допомогою електричного струму відбувається завдяки перебігу окисно-відновних реакцій, які, як вам відомо, супроводжуються переходом електронів від відновника до окисника.
                     Що являє собою гальванічний елемент?

      Людство дізналося про гальванічний елемент завдяки дослідам італійських учених Луїджі Гальвані (1737–1798) й Олесcандро Вольта (1745–1827). Наприкінці XVIII ст. Олессандро Вольта винайшов оригінальний пристрій, у якому два метали, що не торкались один одного й були занурені в розчини електролітів, виробляли електричний струм. Свій винахід він назвав гальванічним елементом на честь Луїджі Гальвані, італійського фізіолога, професора медицини Болонського університету, який у 1786 р. першим звернув увагу на виникнення струму завдяки перетворенню хімічної енергії на електричну.
Гальванічний елемент може бути складений таким чином. Цинкову  пластинку занурюють у розчин солі цинк сульфату ZnSO4 і провідником (металевим дротом) сполучають із мідною пластинкою, зануреною в розчин купрум(ІІ) сульфату СuSO4. Щоб замкнути складене коло, розчини сполучають електролітичним ключем — зігнутою скляною трубкою, заповненою електролітом. Ключ потрібний для того, щоб під час дії гальванічного елемента сульфат-аніони вільно переміщувалися в розчинах.

Зі схеми видно, що гальванічний елемент складається з двох електродів. Той, що з надлишком електронів, називають негативним полюсом, або анодом, а той, у якого електронів недостатньо, — позитивним полюсом, або катодом. У розглянутому цинково-мідному гальванічному елементі анодом є цинкова пластинка, а катодом — мідна. Увімкнена в
таке коло лампа світить, а гальванометр показує наявність струму. Струм виникає завдяки тому, що на аноді відбувається процес окиснення, а на катоді — відновлення. Під час цих процесів потік електронів спрямовується від більш активного металу цинку до менш активного металу міді. Цинк окиснюється і є постачальником електронів:
Zn0 – 2е – = Zn2+ (окиснення).
Утворені йони Цинку Zn2+ переходять у розчин. На мідній пластинці відбувається відновлення катіонів Купруму Сu2+ з розчину купрум(ІІ) сульфату електронами, що надійшли на мідну пластинку від цинкової:
Сu2+ + 2е – = Сu0 (відновлення).
Скорочене рівняння цього окисно-відновного перетворення в гальванічному елементі буде таким:
Cu2+ + Zn0 = Сu0 + Zn2+.
Унаслідок окисно-відновного процесу розчин біля цинкової пластинки збагачується катіонами Цинку, а в розчині біля мідної пластинки стає менше катіонів Купруму і, відповідно, створюється надлишок сульфат-аніонів. Щоб рівновага сульфат-аніонів у розчинах не порушувалася, через електролітичний ключ вони переміщуються з розчину купрум(ІІ) сульфату до розчину цинк сульфату. Сольовий місток не тільки забезпечує електричний контакт між двома розчинами, а й підтримує електронейтральність розчинів.
Гальванічний елемент — хімічне джерело струму — пристрій,у якому здійснюється окисно-відновна реакція і хімічна енергія системи перетворюється на електричну. Як ви зрозуміли, гальванічний елемент має свої особливості. На відміну від звичайних окисно-відновних реакцій, під час яких реагенти перебувають у безпосередньому контакті (наприклад розчин нітратної кислоти взаємодіє із зануреною в нього міддю, магній окиснюється киснем), у гальванічному елементі процеси окиснення і відновлення двох реагентів окисно-відновного процесу просторово розділені.
Розглянутий гальванічний елемент продукуватиме електричний струм доти, доки весь цинк не перейде в розчин у вигляді катіонів Zn2+, або всі катіони Купруму Cu2+ з розчину, у який занурена мідна пластинка, не осядуть на ній.
Сучасні гальванічні елементи.

     З моменту винайдення першого гальванічного елемента минуло понад 200 років, за цей час пристрій змінювався, удосконалювався. Нині розроблено різноманітні гальванічні елементи

     Вони бувають сольові (сухі) — не містять рідкого електроліту; лужні — містять пастоподібний електроліт калій гідроксид; літієві — анод виготовлений з літію або його сполуки.
Ці гальванічні елементи вам добре відомі, адже завдяки ним працюють годинники, тонометри, терези, дитячі іграшки, бездротова комп’ютерна «миша», ліхтарики, пульти керування телевізором тощо.
Різновидом гальванічних елементів є електричні акумулятори. Вони служать хімічним джерелом електричного струму багаторазової дії. Основна специфіка акумулятора полягає у зворотності внутрішніх хімічних процесів, тому його можна підзаряджати і використовувати повторно.
З часом вони перестають перетворювати хімічну енергію в електричну, тож їх замінюють на нові.
Часто ми не переймаємося тим, що відпрацьовані батарейки  шкодять довкіллю тим, що у ґрунт, воду потра-
пляють токсичні речовини. Пам’ятайте, одна батарейка забруднює 20 м3 ґрунту або 400 л води. Тому правильно утилізуйте відпрацьовані гальванічні елементи та пристрої, не викидайте де завгодно, а здавайте на переробку.