Номер 10, страница 69, часть 2 - гдз по физике 8 класс рабочая тетрадь Грачев, Погожев

Часть 2. Глава 7. Постоянный электрический ток. Параграф 55. Источники тока - номер 10, страница 69.

Условие.

10. Почему срок службы гальванического элемента ограничен?

Решение.

Решение

Срок службы гальванического элемента ограничен, поскольку его работа основана на протекании химической окислительно-восстановительной реакции, в ходе которой реагенты необратимо расходуются. Электрический ток генерируется за счет преобразования химической энергии в электрическую, и этот процесс прекращается, когда исчерпывается запас реагентов.

Ключевые причины ограничения срока службы:

Истощение реагентов
В основе работы любого гальванического элемента лежит взаимодействие двух электродов (анода и катода) через электролит.
• На аноде (отрицательном электроде) происходит окисление. Материал анода постепенно растворяется, переходя в электролит в виде ионов и отдавая электроны во внешнюю цепь. Например, в медно-цинковом элементе Даниэля цинковый анод расходуется по реакции: $Zn(s) \rightarrow Zn^{2+}(aq) + 2e^{-}$. Когда весь материал анода прореагирует, выработка тока прекратится.
• На катоде (положительном электроде) происходит восстановление. Ионы-окислители из электролита принимают электроны, поступающие от анода, и осаждаются на катоде или преобразуются в другие вещества. В том же элементе Даниэля ионы меди из раствора восстанавливаются на медном катоде: $Cu^{2+}(aq) + 2e^{-} \rightarrow Cu(s)$. По мере протекания реакции концентрация ионов-окислителей в электролите падает, что приводит к снижению напряжения (ЭДС) элемента. Когда эти ионы исчерпываются, реакция останавливается.

Достижение химического равновесия
По мере расходования исходных веществ и накопления продуктов реакции разность потенциалов между электродами уменьшается. В конечном итоге система достигает состояния химического равновесия, при котором скорость прямой реакции становится равна скорости обратной. В этот момент ЭДС гальванического элемента обращается в нуль, и он перестает быть источником тока.

Побочные процессы и физическая деградация
• Саморазряд: Нежелательные химические реакции могут протекать даже без подключения нагрузки, например, из-за примесей в материалах или прямого взаимодействия электродов с электролитом. Это приводит к расходу активных веществ при хранении элемента.
• Пассивация электродов: На поверхности электродов могут образовываться непроводящие пленки из продуктов реакции, которые изолируют электрод от электролита и блокируют его работу.
• Изменение свойств электролита: Электролит может со временем высыхать, менять свою концентрацию или загрязняться продуктами побочных реакций, что увеличивает внутреннее сопротивление элемента и снижает его производительность.

Таким образом, гальванический элемент является одноразовым источником энергии с конечным запасом химических компонентов. После их полного преобразования в продукты реакции элемент "садится".

Ответ: Срок службы гальванического элемента ограничен в первую очередь из-за полного расходования реагентов (материала анода и ионов-окислителей в электролите), которые участвуют в генерирующей ток окислительно-восстановительной реакции. Когда реагенты заканчиваются или система достигает химического равновесия, электродвижущая сила (ЭДС) элемента падает до нуля, и он прекращает работу. Дополнительными факторами являются побочные процессы, такие как саморазряд, пассивация электродов и деградация электролита.