Химическая реакция - источник ЭДС

Работа батарейки основана на протекании химической реакции, происходящей на поверхности находящихся в ней электродов. При внесении электродов в электролит между ними возникает разность потенциалов, получившая название напряжение разомкнутой цепи.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ   РЕАКЦИЯ

Подключение батарейки к потребителю электроэнергии вызывает процесс, относящийся к  окислительно-восстановительным электрохимическим реакциям. Участники реакции получили названия: окислитель, принимающий электроны другого вещества и восстановитель расстающийся с электронами. В батарейке отрицательный электрод по отношению к электролиту является окислителем, а положительный по отношению к электролиту является восстановителем. Обычная окислительно-восстановительная реакция составляет основу обмена веществ, дыхания живых организмов. Мы сталкиваемся с этим типом реакций при горении, отбеливании тканей, дезинфекции. Электрохимическая реакция отличается от обычной окислительно-восстановительной тем, что процессы окисления и восстановления отдалены друг от друга. Процессы протекают в разных областях пространства, реакция вызывает образование свободных электронов. Конструкция батарейки позволяет пространственно разделить процессы  реакции: окисление проходит на цинковом или литиевом электроде, образующем отрицательный полюс, а восстановление на противоположном, образующем положительный полюс. Отделение окисления от восстановления позволяет преобразовать энергию реакции в электрический ток. Электрохимические реакции идут в области соприкосновения электролита и металла. Происходит передача электронов от металла к положительным ионам электролита. Окислительно-восстановительных реакций пригодных для создания батареек мало. Ход таких химических процессов зависит от разных факторов. Течение реакции зависит от природы реагирующих веществ. Заметное влияние на реакцию оказывает концентрация реагирующих веществ в электролите и температура.

Если соединить полюса батарейки внешней проводящей цепью, то через нее будут двигаться электроны от отрицательного полюса к положительному, сделанному из вещества (например, соединение марганца с кислородом), которое забирает положительные ионы из электролита, и с участием электронов, пришедших по проводам, образуется новое соединение. Цинк отрицательного электрода батарейки отдает положительные ионы в электролит, а электроны в провода. Отрицательный электрод будет поглощать электроны из электролита в результате реакции окисления, а на положительном электроде будет происходить их передача в электролит в результате реакции восстановления. Возле положительного электрода ионы из электролита и полученные электроны из проводов объединяются новое химическое вещество. При разряде батарейки портятся оба электрода и электролит. Когда совсем испортится любой из компонентов батарейки, то говорят что она "села". Обе электродные реакции являются сопряженными, их скорости всегда равны, количество электронов, освобождающихся в единицу времени в одной из них, равно количеству электронов, вступающих за то же время в другую.

Положительные ионы цинка реагируют с веществом, окружающим графитовый токоотвод, при участии электронов, поступающих через нагрузку на положительный электрод батарейки.

ДВИЖЕНИЕ  ЗАРЯДОВ

Протекание окислительно-восстановительной электрохимической реакции возможно благодаря обеспечению конструкцией батарейки необходимых условий. Первое условие это  отдаление друг от друга очагов реакций окисления и восстановления. И в тоже время соблюдается второе условие: оба электрода находятся в одном электролите, что позволяет протекать электродным реакциям и одновременно обеспечивает замкнутую цепь, необходимую для  прохождения тока. В металле отрицательного полюса батарейки, например цинка, много свободных электронов. При переходе электронов цинка в электролит атомы цинка превращаются в положительные ионы, которые в тысячи раз тяжелее электронов и в электрическом токе в металле они не участвуют. Ток по металлам переносится электронами. Часть положительных ионов из цинка попадает в раствор и в цинке остаются "лишние" электроны. Общий заряд электронов в цинке становится больше, чем у ионов. Такой беспорядок в природе долго существовать не может. Из электролита электроны поступают сначала на отрицательный электрод, затем через внешнюю цепь на положительный полюс батарейки и далее в электролит. Через раствор электроны не проходят, растворы обладают только ионной проводимостью, электроны могут проходить только через провода и нагрузку. Электроны в батарейке только участвуют в химической реакции.

При осуществлении окислительно-восстановительной реакции химическая энергия превращается в электрическую, которую можно использовать, включив во внешнюю цепь устройство, потребляющее электрическую энергию. Положительные ионы, образующиеся в результате реакции вблизи положительного электрода, переходят по электролиту к отрицательному электроду, где вступают в реакцию. Через электрическую цепь нагрузки электроны переходят от отрицательного полюса к положительному полюсу. Таким образом, получается замкнутая электрическая цепь. Во всех ее звеньях течет один и тот же электрический ток. Нигде заряд не накапливаются. Как только внешняя цепь размыкается, протекание электродных реакций прекращается.

Перенос зарядов через внешнюю цепь выполняется за счет электрической энергии, создаваемой батарейкой. Для прохождения реакции необходимо положительное значение ЭДС на электроде, где идет восстановление электролита. Если в качестве положительного электрода используется графитовый стержень, то реакция будет проходить только при условии восстановления на специальном химическом соединении, окружающем графитовый электрод, а окисление только на противоположном металлическом. Химическая энергия веществ, заключенных в батарейке расходуется на перемещение зарядов цепи, в которую входит батарейка.