Да, да, тепловую — мы не оговорились. В этой системе, называемой, к слову сказать, гальваническим элементом, ироисходит процесс сжигания щшка. В результате выделяется тепловая анергия (тепло — это движение частиц). Только в вашем случае эта энергия проявляется не в форме беспорядочного донжемия молекул, а в форме упорядоченного движения электронов в металле и переносчиков в растворе. Благодаря упорядоченности качество энергии оказывается выше.
Гальванический элемент обладает многими существенными достоинствами. Поскольку химическая энергия топлива (цинка) превращается в нем непосредственно в энергию электрическую, минуя промежуточные стадии, кпд таких элементов равняется 60%, а у лучших образцов доходит до 80%, в то время как у настоящих тепловых электростанций кпд не бывает выше 30%. Но вот беда! Если вместо медного проводника включить, скажем, электрическую лампочку, она загорится, но — увы! — перестанет гореть через несколько минут. Виноват во всем водород. Пузырьки водорода покрывают платиновую пластинку сплошным слоем и изолируют ее от раствора. Такое явление называется поляризацией. Наша конструкция гальванического элемента требует усовершенствования.
Электроды
Реакцию, которая происходит между цинковой пластинкой и раствором, называют электродной. Кроме обычных для химических реакций исходных веществ, в процессе электродных реакций выделяются (или поглощаются) еще и электроны. Процесс, в результате которого у атомов вещества (в нашем случае цинка) отнимаются электроны, называют окислением. Электрод, на котором протекает окислительный процесс, т. е. тот электрод, в который уходят электроны, называется анодом. Соответственно второй электрод, из которого электроны поступают, называется катодом. Электродную реакцию окисления называют анодной реакцией. Совсем не обязательно электроды должны быть металлическими или даже твердыми. Часто используют, например, газообразные электроды. Переносчик ионов (электролит) тоже совсем не обязательно должен представлять собой раствор. Электролиты бывают разные, в том числе и твердые.
Попытаемся усовершенствовать гальванический элемент. В уже знакомую вам банку со щелочью КОН поместим цинковую пластинку и электрод, представляющий собой решетку из окиси серебра Ag20. Окись серебра взаимодействует с раствором, происходит реакция Ag20+H20+2e—*2Ag+20Н~.
В процессе окисления окисляемое вещество отдает свои электроны. В молекуле окиси серебра валентные электроны атомов серебра отданы «на общие нужды», они участвуют в формировании структуры молекулы. Получая от электрода два дополнительных электрона, молекула окиси серебра распадается на два нейтральных атома серебра и ион кислорода О— с двумя лишними электронами. Всякая реакция, в ходе которой атомы вещества получают электроны, называется реакцией восстановления. В нашем случае чистое серебро восстанавливается из окиси и выделяется на электроде, который мы условились называть катодом. Поскольку в ходе реакции участвуют электроны, ее также называют электродной, в отличие от реакции с цинком это не анодная, а катодная электродная реакция.
Освободившиеся в результате катодной реакция ионы кислорода реагируют с водой, образуя два, иов£ ОН-. Эта реакция, по сути дела, не является электро-ной, однако в ее ходе в электролит переходят отрица^ тельно заряженные ионы. Электролит постепенно np$r обретает отрицательный заряд. Если электроды, ид соединены, между электродом и раствором устана.вл^ вается равновесная разность электри^ескрх^1п^уен,Ц}1^лЖ опять-таки равная исходной ря№ЖЩ-!ШЩШ11рШ9*Ш* потенциалов,— все точно так же* в ре$фздн^^^вк<щ,,
Если соединить электроды проводвдеязд^ра^еОД замкнутая электрическая цепь, и по ней «потечет ток. При этом поддерживается равенство: на каждый окислившийся (сгоревший) атом цинка приходятся два атома восстановившегося серебра. Равенство это поддерживается потому, что в катодной реакции участвуют только электроны, пришедшие с анода.
Ну а в электролите? Здесь снова предлагаются два описания. Согласно первому образовавшиеся в результате катодной реакции ионы ОН~ перемещаются к аноду и там участвуют в анодной реакции. Согласно второму объяснению полученные в результате анодной реакции атомы водорода в составе молекул воды путешествуют к катоду. Но теперь они не выделяются на катоде (поляризация), а соединяются с освободившимися в результате катодной реакции атомами кислорода, давая все тот же ион ОН-.
