Номер 14.39, страница 69 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 14. Электрический ток. Действия электрического тока - номер 14.39, страница 69.

Условие.

14.39. Две цинковые пластины опущены в сосуд с раствором серной кислоты. Является ли такое устройство гальваническим элементом? Что будет, если одну из цинковых пластинок заменить на медную?

Решение.

Решение

Является ли такое устройство гальваническим элементом?

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, в котором энергия самопроизвольной окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию. Для его работы необходимо наличие двух различных электродов (из разных металлов) или двух одинаковых электродов, погруженных в растворы электролитов разной концентрации. Ключевым условием является наличие разности потенциалов между электродами, которая и создает электродвижущую силу (ЭДС).

В данном случае в раствор серной кислоты ($H_2SO_4$) опущены две одинаковые цинковые ($\text{Zn}$) пластины. Так как электроды изготовлены из одного и того же металла и погружены в один и тот же раствор, их электродные потенциалы равны. Следовательно, разность потенциалов между ними равна нулю:

$ЭДС = E_1 - E_2 = 0$

Поскольку нет разности потенциалов, не может возникнуть направленное движение электронов во внешней цепи, а значит, и электрический ток. Поэтому такое устройство не является гальваническим элементом. Тем не менее, на поверхности обеих цинковых пластин будет протекать обычная химическая реакция, так как цинк — активный металл, стоящий в ряду напряжений до водорода:

$Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2 \uparrow$

Ответ: Нет, такое устройство не является гальваническим элементом, так как оно состоит из двух одинаковых электродов, и разность потенциалов между ними равна нулю.

Что будет, если одну из цинковых пластинок заменить на медную?

Если одну из цинковых пластин заменить на медную ($\text{Cu}$), то система будет состоять из двух различных металлов, погруженных в общий раствор электролита (серной кислоты). Цинк и медь имеют разные значения стандартных электродных потенциалов: $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0.76$ В и $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0.34$ В. Из-за этого между пластинами возникнет разность потенциалов.

Такая система будет представлять собой гальванический элемент (известный как элемент Вольта). В нем будут протекать следующие процессы:

1. Цинк, как более активный металл (с более низким электродным потенциалом), будет выполнять роль анода (отрицательного полюса). На нем будет происходить процесс окисления — растворение цинка:
Анод (-): $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$

2. Медь, как менее активный металл (с более высоким электродным потенциалом), будет выполнять роль катода (положительного полюса). На поверхности меди будут восстанавливаться катионы водорода из раствора серной кислоты с выделением газообразного водорода (поскольку медь стоит в ряду напряжений после водорода и с кислотой не реагирует):
Катод (+): $2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow$

Электроны, образующиеся на аноде, будут перемещаться по внешней цепи к катоду, создавая электрический ток. Суммарное уравнение реакции, протекающей в этом гальваническом элементе, выглядит так:

$Zn + 2H^+ \rightarrow Zn^{2+} + H_2 \uparrow$

Ответ: Если заменить одну цинковую пластину на медную, то получится гальванический элемент. Цинк будет служить анодом (отрицательным электродом) и будет растворяться, а на медном катоде (положительном электроде) будет выделяться водород.