РАЗНОСТЬ  ЭЛЕКТРОДНЫХ  ПОТЕНЦИАЛОВ -

  ВОЗМОЖНОСТЬ  РАБОТЫ БАТАРЕЙКИ

Явление, позволившее создать батарейки, это различие в свойствах металлов, а в частности разные электродные потенциалы, связанные с наличием двойного электрослоя в области соприкосновения металла и электролита. Одни металлы имеют положительный электродный потенциал, другие отрицательный.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ  ЭЛЕКТРОДНОГО  ПОТЕНЦИАЛА

.

Двойной электрослой, образовавшийся после погружения цинка.

При погружении цинкового электрода в электролит цинк получает отрицательный потенциал. Кристаллическую решетку цинка составляют атомы и ионы, находящиеся в динамическом равновесии. Молекулы воды воздействуют на ионы поверхностного слоя цинка, ионы переходят в электролит, положительный заряд сообщается электролиту. В цинке теперь избыточное количество электронов, обеспечивающее отрицательный заряд электрода. Положительные ионы, оказавшиеся в электролите притягиваются к цинку. Повышенное содержание положительных ионов у поверхности цинка тормозит их выход из цинка, но часть положительных ионов из электролита, притягиваясь электронами, внедряются в его кристаллическую решетку. Когда наступает равенство скоростей выхода ионов из цинка и входа ионов из электролита в цинк, между ними устанавливается динамический баланс. Количество ионов, покинувших цинк, равняется количеству ионов, вошедших в него. В результате установившегося динамического баланса ионов возникает устойчивый двойной электрослой, одна половина которого располагается на цинке, а другая - это примыкающая группа ионов в электролите.

Распределение зарядов на границе между цинком и электролитом создает скачок потенциала.

Ионный слой частично размыт в электролите благодаря тепловому движению частиц. В области контакта металла с электролитом происходит скачок потенциала, который и есть электродный потенциал. Структура двойного слоя и, как следствие, электродный потенциал обусловлены не только самим металлом, но и насыщенностью ионами электролита и температурой.

РЯД  ЭЛЕКТРОДНЫХ  ПОТЕНЦИАЛОВ

Разные металлы по-разному расстаются с ионами в электролите, одни быстрее, другие медленнее. Для отражения свойства ионизировать электролит создан ряд электродных потенциалов. В ряду металлы расположены от наиболее активных к самым инертным. Величина и знак электродного потенциала соответствуют положению металла в ряду. Самый низкий потенциал в начале ряда у самого активного металла лития -3,04 В, а самый высокий у золота +1,68 B. Металлы из левой части ряда более активны и вытесняют из солей химические элементы, находящиеся правее. При контакте с водой химических элементов из начала ряда включая алюминий, вытесняется водород.

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au

Ряд электродных потенциалов.

Измерить электродный потенциал одного электрода, помещенного в электролит, и установить распределение зарядов экспериментально в двойном электрослое нельзя. Исследование потенциалов металлов производится относительно стандартного водородного электрода – платиновой пластины, помещенной в водный раствор серной кислоты, поэтому ряд потенциалов содержит водород. Через раствор пропускается поток водорода, омывающего платину. Электрод насыщается водородом, в результате поверхность пластины покрывается слоем водорода. Между поверхностным слоем водорода на платине и раствором наступает равновесие и образуется разность потенциалов, принимаемая за нуль. Если исследуется цинк, то движение электронов будет направлено к платине, следовательно, потенциал цинка меньше образцового электрода.

ПОТЕНЦИАЛЫ  ПОЛЮСОВ  БАТАРЕЙКИ

В работе батарейки участвуют два электрода, на каждом из них создается свой потенциал. Чем дальше друг от друга в ряду потенциалов расположены металлы, из которых изготовлены электроды батарейки, тем больше будет разность потенциалов между ними.

Проверим это на практике. Для этого понадобится медная и алюминиевая деталь. В качестве медного электрода я использовал небольшой кусок фольгированного стеклотекстолита, применяемого для изготовления печатных плат. В качестве алюминиевого электрода можно применить радиатор для охлаждения процессора или других компонентов системного блока ПК.

Простейшая батарейка из двух металлов и бумаги, пропитанной солевым раствором.

Электролит приготовить совсем несложно, в нашем случае это будет слабый раствор пищевой соли. Раствором нужно пропитать небольшой кусок бумаги. Кладем смоченный в солевом растворе кусок бумаги на одну из пластин, поверх него деталь из алюминия. Вольтметром или тестером, установленным на предел измерения 2 вольта, проверяем напряжение нашей батареи. Для этого положительный щуп устанавливаем на медь, а отрицательный на алюминий. Напряжение, генерируемое батареей, составит около 0,65 вольт. Проверим ток короткого замыкания - он составляет около 1 мА. Заменим медь серебром, напряжение возросло до 0,8 вольт, заменим на золото - напряжение 0,9 вольт, значит, ряд электродных потенциалов работает, в нем золото расположено правее меди. Возьмем пару алюминий и железо, получим 0,11 вольта. Напряжение, развиваемое нашей батарейкой, ниже, чем разность электродных потенциалов применяемых металлов, указанная в ряду. Это вызвано мизерной мощностью батарейки. Внутреннего сопротивления вольтметра оказывается достаточно для перегрузки нашего источника питания.
Нетрудно увидеть, что разность электродных потенциалов - величина относительная и батарейка характеризуется потенциалами электродов лишь относительно друг друга, а не абсолютной величиной одного электродного потенциала. Если образцовый электродный потенциал расположить между натрием и магнием, то на разность потенциалов, которая представляет практический интерес, это не повлияет. Для материала отрицательного электрода в батарейках используется, как правило, цинк или литий, а положительным электродом является пастообразная смесь угольного порошка и различных химических соединений, например MnO2 в которую вставлен графитовый стержень, являющийся токоотводом. Реакция протекает на поверхности графитового токоотвода, но сам он не принимает участия в реакции. Такой нерасходуемый электрод называют инертным. Он оказывает каталитическое воздействие на электродную реакцию.
Электродвижущая сила (ЭДС) батарейки определяется разностью потенциалов электродов при разомкнутой внешней цепи.