Жоспары:
- Гальваникалық элементтің жұмысы
- Гальваникалық элементтің электр қозғаушы күші
- Якоби-Даниэль гальваникалық элементінің жұмыс жүйесі
Лекция мәтіні:
Гальваникалық элемент дегеніміз химиялық реакциялардың энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыратын қондырғы. Гальваникалық элемент өзара сыртқы өткізгіш арқылы жалғасқан екі металл пластинкасы енгізілген және өзара жанасатын екі электролит ерітіндісінен тұрады. Электр тогын беретін гальваникалық элемент теңсіздік күйінде болады. Ондағы ток күші азайған сайын, екі электрод арасындағы потенциал айырмасы артады. Ал, егер гальваникалық элементтегі электр тогының күші шексіз аз және система тепе-теңдік жағдайында болса, онда мұндай гальваникалық элемент қайтымды жұмыс істейді. Гальваникалық элемент қайтымды жұмыс істеген кезде алынатын барынша үлкен потен-циал айырмасы осы элементтің электр қозғаушы күші (эқк) деп аталады.
Егер системадағы процестердің кемінде біреуі термодинамикалық қайтымсыз болса, онда мұндай гальваникалық элемент те қайтымсыз. Қайтымсыз элементке мысал Якоби-Даниэль гальваникалық элементі болады. Ол мыс купоросының ерітіндісіне мыс, мырыш сульфатының ерітіндісіне мырыш пластиналары енгізілген системадан тұрады. Ол элементті схема түрінде келесідей өрнектеуге болады:
Си | Си3041 12п50412п
ЕсиЕ~п
103
Схемада екі фазаның беткі шекарасы, мысалы мыс және мырыш пластинасы мен оларға сәйкес ерітінділері тік сызықпен шектеледі. Сондай-ақ бұл сызық осы арада потенциал айырымы пайда болатынын, яғни электр қозғаушы күштің туындайтынын көрсете-ді. Ал екі ерітінді арасы екі тік параллель сызықпен бөлініп көрсетіледі. Мұнда да екі ерітінді иондарының диффузиялық жылдамдығы бірдей болмағандықтан, потенциал айырымы пайда болады. Оны диффузиялық потенциал дейді және электр қозғаушы күшті есептегенде ескерілмейді. Стандартты (нормальды) потенциал шамасы оң болатын металды схеманың сол жағына жазады да оң электрод дейді, ал екінші металды оң бөлігіне жазып, теріс электрод дейді.
Металл — электролит фаза аралығында қос электр қабаты пайда болады, металдың сұйықпен жанасқан беткі қабаты теріс зарядталады, ал металл электродқа жанасатын ерітінді қабаты оң зарядталады. Гальваникалық тізбек тұйықталмай тұрған кез-де, мырыштың электролитте еру процесі тепе-теңдік күйге тез жетеді де, тоқтап қалады. Мырыш электродты мыс электродпен сыртқы өткізгіш арқылы жалғастырса, онда мырыш электродында жиналып қалған артық электрондар сыртқы сым арқылы мыс электродына өтеді және осы кезде тізбекте пайда болатын электр тогы гальванометр кемегімен өлшенеді . Якоби-Даниэль гальваникалық элементінің жұмыс жүйесі негізінен екі бөлінген ыдыстан тұрады. Оның біріншісіне мыс сульфатының судағы ерітіндісі құйылып, оған мыс пластинасы батырылған. Ал екінші бөліміне мырыш сульфатының судағы ерітіндісі құйылып, оған мырыш пластинасы батырылған. Екі металл электроды мен екі ерітіндісі бар ыдысты ортасынан бөліп тұрған кеуек қалақша (пг) тек ионды ғана өткізеді.
Сонымен мырыш электродынан мыс электродына келген электрондар, мыс сульфатының ерітіндісінен мыс электрод пластина-сының беткі қабатына орналасқан катиондарды нсйтралдағанда мыс электродында таза мыс атомы бөлінеді. Бірінші ыдыста, яғни
мыссульфатыныңерітіндісінде бос қалған сульфат иондар пг қалақшадан өтіп, бірінші ыдыстан екіншіге ауысады да ондағы бос қалған мырыш ионымен қосылып, сульфат түзеді. Сондай-ақ, гальваникалық элементтің жұмыс істеген кезінде пайда болған мырыш ионы қалақша арқылы диффузия әсерімен екінші ыдыстан біріншіге ауысады да, ондағы ерітіндіден мыс пластинасынаорналасқанмыскатионын алмастырады. Мұның салдарынан бірінші ыдыстағы мыс сульфатының ерітіндісі бірте-бірте мырыш сульфатының ерітіндісіне айналады. Гальваникалық элемент неғұрлым көп жұмыс істесе, мырыш пластинасынан солғұрлым кеп электрон ағып, ерітіндіге мырыш ионы ауысады. Демек, гальваникалық элемент мырыш электрод толық еріп, мырыш катионына айнал-ғанша жұмыс істей береді. Сонымен, гальваникалық элемент жұмыс істегенде электр бірден екі тізбек арқылы тасымалданады: сыртқы өткізгіш сым арқылы қозғалатын электрондар легі және элементтің ішкі сұйық фазасындағы қозғалатын катиондар тобы. Кез келген гальваникалық элементтің электр қозғаушы күші өзіндегі электрод потенциалдарының айырмасына тең, яғни мұндай тізбектің электр қозғаушы күші:
Е = ЕСи-Е2п(П5)
Мұны Нернст формуласын пайдаланып, қайта жазсақ:
Еси = ~-ІёаСи2+-Еоси;Е2п = Щ-\% а2п2+ -£<>(Ц6)
Е = ЕСа -Егп =-^1ёаСи2+ +ЕСи+^-\§а2п2+ +Е2п(П7) Е = ЕСи-Е«п +^-(\£аСа2+-Іёа2п2+ )
Тепе-теңдік жағдайындағы электродтардың аткивтіктіліктері де өзара тең болатындықтан, (117) теңдеу
Е = Е°-Е°(П8)
Си2іі
түрінде жазылады.
Әр тұрлі екі электродтан құралған, бірақ тұз ерітінділерінің концентрациясы (активтілігі) бірдей болатын гальваникалық элементтердің электр қозғаушы кұші осы элементтердің стандартты потенциал айырмасына тең.