принцип работы гальванической батарейки

[grau]

В 09.03.2026 в 11:01, AlexBut сказал:

Похоже уважаемое сообщество само не в теме. Кто ясно мыслит ясно излагает. Или хотя бы ссылку , где принцип работы гальванического элемента прозрачно изложен. Спасибо

 

Это т. н. коррозионный гальванический элемент, так как при его работе протекает процесс, аналогичный электрохимической коррозии в нейтральных средах. Объясню вам на пальцах, как он работает, не вдаваясь глубоко в теорию электрохимических процессов.

 

Для начала уясните, что в отличие от металлов, в которых электрическая проводимость обусловлена наличием свободных электронов (проводники I рода), растворы электролитов являются проводниками ионного типа (проводники II рода). В проводниках II рода никаких свободных электронов нет, поэтому протекание электрического тока через растворы электролитов обусловлено только движением заряженных частиц - ионов.

 

Для определения, какой электрод в гальваническом элементе будет являться анодом, а какой катодом, смотрим на положение цинка и меди в ряду напряжений металлов. Цинк стоит левее меди, следовательно, он является более активным металлом (имеет более отрицательный электродный потенциал) и поэтому будет анодом; соответственно, медь будет катодом.

 

Обращаю ваше внимание, что относительно внешней цепи (т. е. если рассматривать гальванический элемент как источник питания) цинковая пластинка является отрицательным электродом (катодом), а медная - положительным электродом (анодом). Относительно внутренней цепи функции электродов меняются на противоположные - цинковая пластинка является анодом, так как на ней протекает анодный процесс (окисление), а медная - катодом, так как на ней протекает катодный процесс (восстановление). Чтобы не путаться с названиями электродов в гальванических элементах, рекомендую относительно внешней цепи называть их полюсами (выводами, контактами), а относительно внутренней цепи - электродами (анод, катод).

 

Работа гальванического элемента начинается при замыкании электродов проволокой или другим металлическим проводником. Так как цинковый электрод имеет более отрицательный потенциал (другими словами, в нём больше концентрация свободных электронов, чем в медном электроде), то происходит переход электронов от него к медному электроду, и по внешней цепи начинает протекать электрический ток.

 

Одновременно с этим с поверхности цинкового электрода начинается переход в раствор ионов Zn²⁺ в количестве, эквивалентном числу электронов, уходящих во внешнюю цепь. Таким образом, на цинковом электроде протекает анодный процесс (отдача электронов, окисление), поэтому он является анодом.

 

В водных растворах хлоридов при анодных процессах большинство металлов подвергается т. н. анодному растворению, при котором вместо окисления ионов хлора по реакции 2Cl^- - 2e --> Cl₂↑, в раствор переходит металл анода в виде положительно заряженных ионов, как и в описываемом случае.

 

В водных растворах электролитов на катоде способны разряжаться только ионы металлов, начиная с марганца и правее от него в ряду напряжений. Катионы более активных металлов в водных растворах на катоде не разряжаются; вместо этого на катоде идёт восстановление молекул воды с выделением водорода. Таким образом, ионы Na⁺ на катоде разряжаться не будут, а будут восстанавливаться молекулы воды электронами, приходящими на медный электрод из внешней цепи: 2H₂O + 2e --> 2OH- + H₂↑ (принятие электронов, восстановление).

 

Из вышесказанного следует, что при работе данного гальванического элемента ионы Na⁺ и Cl^- непосредственного участия в электродных реакциях не принимают, а их роль сводится к обеспечению электропроводности раствора в межэлектродном пространстве внутренней цепи гальванического элемента.

 

Ионы Zn²⁺, образующиеся в прианодном пространстве, и ионы OH^-, образующиеся в прикатодном пространстве, диффундируют в толщу раствора электролита, где встречаются и образуют малорастворимый гидроксид цинка, который выпадает в осадок.

 

Zn - 2e --> Zn²⁺ (на цинке, анодный процесс)
2H₂O + 2e --> 2OH^- + H₂↑ (на меди, катодный процесс)
Zn²⁺ + 2OH^- --> Zn(OH)₂↓ (в межэлектродном пространстве)
-----------------------------------------------------------------------------
Суммарно: Zn + 2H₂O --> Zn(OH)₂↓ + H₂↑ (в гальваническом элементе)

 

Таким образом, при работе данного гальванического элемента цинк корродирует и сыплется на дно в виде гидроксида, а на медном электроде молекулы воды восстанавливаются до водорода, о чём свидетельствует пузырение; сам медный электрод не корродирует. Замена медного электрода на угольный принципиально ничего не меняет, кроме э.д.с. Если раствор NaCl достаточно насытить кислородом (например, при его перемешивании), то на медном электроде преимущественно будет протекать реакция восстановления молекул кислорода: O₂ + 2H₂O + 4e = 4OH^-. При этом выделения водорода на нём наблюдаться не будет, а суммарная реакция гальванического элемента будет выглядеть следующим образом: 2Zn + O₂ + 2H₂O = 2Zn(OH)₂↓

 

Изменено 13 Марта, 2026 в 08:14 пользователем grau

[AlexBut]

В 13.03.2026 в 14:51, grau сказал:

Спасибо.

grau: "...В водных растворах хлоридов при анодных процессах большинство металлов подвергается т. н. анодному растворению, при котором вместо окисления ионов хлора по реакции 2Cl^- - 2e --> Cl₂↑, в раствор переходит металл анода в виде положительно заряженных ионов, как и в описываемом случае. ....В водных растворах электролитов на катоде способны разряжаться только ионы металлов, начиная с марганца и правее от него в ряду напряжений. Катионы более активных металлов в водных растворах на катоде не разряжаются; вместо этого на катоде идёт восстановление молекул воды с выделением водорода. Таким образом, ионы Na⁺ на катоде разряжаться не будут... "

Если эти два утверждения принять как аксиомы, то понятно.Остаётся понять почему верны эти 2 утверждения или понять это невозможно т.к. придётся ударится в квантовую физику?

 

 

 

[AlexBut]

grau -"В водных растворах хлоридов при анодных процессах большинство металлов подвергается т. н. анодному растворению, при котором вместо окисления ионов хлора по реакции 2Cl^- - 2e --> Cl₂↑, в раствор переходит металл анода в виде положительно заряженных ионов, как и в описываемом случае."

Хлоридов много, для каких  растворов хлоридов это утверждение верно -например, для NaCl верно? 

Т.е. в каких растворах хлоридов этот гальванический элемент(Zn  Cu  раствор) будет работать ?

Спасибо

[AlexBut]

grau:"Из вышесказанного следует, что при работе данного гальванического элемента ионы Na⁺ и Cl^- непосредственного участия в электродных реакциях не принимают, а их роль сводится к обеспечению электропроводности раствора в межэлектродном пространстве внутренней цепи гальванического элемента." Вопрос про NaCl снимаю, невнимательно читал

[AlexBut]

Всё равно непонятно почему ионы Na++ и Zn++ не разряжаются(не восстанавливаются) на отрицательно заряженном цинковом электроде.

А ионы Cl-- не отдают электроны положительно заряженному медному электроду, что им мешает? А ионы H+ воды восстанавливаются на меди,

хотя она положительно заряжена и не восстанавливаются на цинке, хотя он заряжен отрицательно?

[AlexBut]

Т.о. из той информации , которую я увидел вытекает следующий опус:

На примере электродов цинка и меди в солёной (NaCl) воде.

1)Цинк на границе раздела переходит в раствор в виде ионов цинка Zn++(т.е. с потерей 2-х электронов)

и тем самым заряжает цинковый электрод отрицательно . При этом на цинковом электроде происходит и обратный процесс-

переход ионов металла из раствора в поверхностный слой металла(восстановление ионов). Очень быстро устанавливается динамическое равновесие- химическое окисление (переход ионов металла в раствор) и восстановление ионов металла на электроде. Но этот процесс всегда смещён в сторону окисления и поэтому элоектрод заряжается отрицательно. И поэтому в растворе собственной соли(наприме, электрод Zn в растворе ZnSO4) вследствие увеличения концентрации катионов в растворе, равновесие  будет смещено вправо (в сторону входа катионов в узлы кристаллической решетки) и отрицательный заряд электрода в растворе собственной соли будет меньше, чем в чистой воде.

(И.И. Жерин, Г.Н. Амелина, А.Н. Страшко,Ф.А. Ворошило ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА Часть 1 стр.13) Дальнейшему переходу ионов Zn в раствор препятвует двойной электрический слой на границе раздела фаз, образованный отрицательно заряженным электродом и перешедшими в раствор ионами металла.

(Здесь возникает 1-й вопрос- почему ионы Na++ и H+(воды) не учавствуют в восстановлении, т.е. не оседают на поверхности цинкового электрода)

2)На положительно заряженном электроде- медном будет происходить процесс восстановления -медь отдаёт электроны ионам 

H+ (и вследствие этого заряжается положительно) которые восстанавливаются (присоединяют электроны) до газообразного водорода. Как следствие на поверхности медного электрода образуются пузырьки газообразного водорода, которые экранируют его от раствора (пассивация электрода).

(Здесь возникает 2-й вопрос — почему ионы Na++ и Zn++ не восстанавливаются(не забирают электроны) у медного электрода — потому, что он заряжен положительно и двойной электрический слой (плюс на электроде, минус в растворе около электрода) препятствует их движению в сторону электрода? Но тогда почему ионы хлора Cl--  и воды OH- не отдают электроны медному электроду , хотя он заряжен положительно? А двойной электрический слой не препятствует движению положительно заряженных ионов H+ в сторону медного электрода?)

3) Ионы цинка Zn++ (они не соединяются с ионами хлора , т. к. не могут их вытеснить из соли т. к. Na стоит левее в электрохимическом ряду-хотя это тоже вопрос, но факт есть факт-Металлы, стоящие в  электрохимическом ряду напряжений левее металла, входящего в виде катиона в состав соли, вытесняют этот металл из водных растворов их солей, а наоборот нет. Na стоит левее, чем цинк ) распространяясь в растворе встречают ионы OH- и образуют малорастворимый гидроксид цинка, который выпадает в осадок . Т.о. положительно заряженные ионы цинка двигаются в сторону положительно заряженного медного электрода , а отрицательно заряженные ионы OH- движутся в сторону отрицательно заряженного цинкового электрода и замыкают электрическую цепь. И как я понимаю это движение вызвано подвижностью(эффектом растворения) ионов в растворе.

В общем, если не углубляться в упомянутые выше вопросы , то можно сказать, что понятно.

Кому интересно может даст ответы на эти вопросы или укажет на ошибки здесь.