Страница 108 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

• Что такое гальванический элемент?

Гальванический элемент (также известный как вольтов элемент) — это химический источник электрического тока, то есть устройство, в котором энергия самопроизвольно протекающей окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую энергию. Своё название он получил в честь итальянских учёных Луиджи Гальвани и Алессандро Вольты.

Классический гальванический элемент состоит из двух разных металлов (или металла и неметаллического проводника, например, графита), которые служат электродами. Каждый электрод погружен в раствор электролита, обычно — в раствор соли того же металла. Эти две части, называемые полуэлементами, соединены между собой солевым мостиком (U-образная трубка, заполненная концентрированным раствором электролита) или пористой мембраной. Солевой мостик необходим для перемещения ионов между полуэлементами, что позволяет поддерживать электронейтральность растворов и замыкать электрическую цепь. Электроды соединяются между собой во внешней цепи металлическим проводником.

Принцип работы гальванического элемента основан на том, что разные металлы имеют разную способность к окислению (отдаче электронов).

• Более активный металл, имеющий более низкий электродный потенциал, выступает в роли отрицательного полюса — анода. На нём происходит процесс окисления: атомы металла отдают электроны и переходят в раствор в виде положительно заряженных ионов.
• Менее активный металл, с более высоким электродным потенциалом, является положительным полюсом — катодом. На нём происходит процесс восстановления: катионы металла из раствора электролита принимают электроны и осаждаются на поверхности катода в виде нейтральных атомов.

В результате этого электроны начинают двигаться по внешнему проводнику от анода к катоду, создавая упорядоченное движение заряженных частиц, то есть электрический ток.

Наглядным примером является элемент Даниэля-Якоби, состоящий из цинкового и медного электродов, погруженных в растворы своих солей (сульфата цинка $ZnSO_4$ и сульфата меди(II) $CuSO_4$ соответственно).

Процессы на электродах:
На аноде (цинк, Zn): $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$
На катоде (медь, Cu): $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$
Суммарная реакция, протекающая в элементе: $Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu$

Ответ: Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, устройство, преобразующее химическую энергию спонтанной окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию.

• Какие процессы протекают на аноде? на катоде?

На аноде

Анод — это электрод, на котором происходит процесс окисления. Окисление — это процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом. В результате окисления степень окисления элемента повышается. Мнемоническое правило: "на аноде — окисление" (обе буквы гласные).

В зависимости от типа электрохимической ячейки анод имеет разный заряд:
- В гальваническом элементе (источнике тока, например, батарейке) анод является отрицательным полюсом (–). На нём окисляется более активный металл.
- В электролизёре (устройстве для проведения электролиза) анод является положительным полюсом (+), подключенным к положительному полюсу источника тока. К нему движутся анионы (отрицательно заряженные ионы), которые и окисляются.

Примеры процессов на аноде:
- Окисление металла (в гальваническом элементе): $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$
- Окисление анионов (при электролизе расплава или раствора соли): $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2^0$
- Окисление воды (при электролизе водных растворов): $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

Ответ: На аноде всегда протекает процесс окисления — отдача электронов веществом.

На катоде

Катод — это электрод, на котором происходит процесс восстановления. Восстановление — это процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом. В результате восстановления степень окисления элемента понижается. Мнемоническое правило: "на катоде — восстановление" (обе буквы согласные).

В зависимости от типа электрохимической ячейки катод имеет разный заряд:
- В гальваническом элементе катод является положительным полюсом (+). На нём восстанавливаются катионы менее активного металла из раствора электролита.
- В электролизёре катод является отрицательным полюсом (–), подключенным к отрицательному полюсу источника тока. К нему движутся катионы (положительно заряженные ионы), которые и восстанавливаются.

Примеры процессов на катоде:
- Восстановление катионов металла (в гальваническом элементе или при электролизе): $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$
- Восстановление катионов водорода (при электролизе растворов кислот): $2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow$
- Восстановление воды (при электролизе водных растворов солей активных металлов): $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

Ответ: На катоде всегда протекает процесс восстановления — присоединение электронов веществом.