Номер 3, страница 116 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 7. Электрический ток. Сила тока. Напряжение. Параграф 31. Электрические цепи - номер 3, страница 116.

Условие.

3. Как действует гальванический элемент Вольта?

Решение.

2. Назовите химические источники тока.

Решение

Химические источники тока (ХИТ) — это устройства, в которых энергия, выделяющаяся в результате химических окислительно-восстановительных реакций, напрямую преобразуется в электрическую энергию. Их можно разделить на несколько основных групп.

1. Первичные источники тока (гальванические элементы) — это устройства одноразового использования, которые не подлежат перезарядке. После того как реагенты внутри элемента израсходуются, он перестает вырабатывать ток.

Примеры:

• Элемент Вольта: исторически первый гальванический элемент, состоящий из цинковой и медной пластин, опущенных в раствор серной кислоты.
• Элемент Даниэля-Якоби: медно-цинковый элемент с солевым мостиком, имеющий более стабильное напряжение, чем элемент Вольта.
• Марганцево-цинковые элементы (солевые и щелочные): самые распространенные бытовые батарейки. В солевых (элемент Лекланше) электролитом служит раствор хлорида аммония, в щелочных (алкалиновых) — гидроксида калия.
• Литиевые элементы: обладают высокой плотностью энергии и долгим сроком хранения. Используются в часах, калькуляторах, медицинских приборах.

2. Вторичные источники тока (аккумуляторы) — это перезаряжаемые устройства. Протекающие в них химические реакции обратимы: при разряде они работают как гальванический элемент, а при заряде под действием внешнего источника тока восстанавливают исходный состав реагентов.

Примеры:

• Свинцово-кислотные аккумуляторы: широко используются в автомобилях. Электроды состоят из свинца и диоксида свинца, а электролит — раствор серной кислоты.
• Никель-кадмиевые ($Ni-Cd$) и никель-металлгидридные ($Ni-MH$) аккумуляторы: применялись в портативной электронике, обладают "эффектом памяти".
• Литий-ионные ($Li-ion$) и литий-полимерные ($Li-Pol$) аккумуляторы: доминируют в современной портативной технике (смартфоны, ноутбуки) благодаря высокой плотности энергии и отсутствию "эффекта памяти".

3. Топливные элементы — это устройства, которые генерируют электричество из топлива (например, водорода) и окислителя (например, кислорода из воздуха) в процессе электрохимической реакции. Они работают до тех пор, пока подаются реагенты.

Ответ: Химические источники тока включают гальванические элементы (например, солевые и щелочные батарейки, литиевые элементы), аккумуляторы (свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, литий-ионные) и топливные элементы.

3. Как действует гальванический элемент Вольта?

Решение

Гальванический элемент Вольта (также известный как Вольтов столб) является первым в истории химическим источником постоянного тока. Его работа основана на преобразовании химической энергии в электрическую за счет окислительно-восстановительной реакции.

Классический элемент Вольта состоит из двух пластин, изготовленных из разных металлов, например, цинка ($Zn$) и меди ($Cu$), которые погружены в электролит — водный раствор серной кислоты ($H_2SO_4$).

Принцип действия заключается в следующем:

1. На цинковом электроде (аноде): Цинк является более активным металлом, чем медь и водород. Поэтому атомы цинка, контактируя с электролитом, начинают окисляться — терять электроны и переходить в раствор в виде положительно заряженных ионов цинка ($Zn^{2+}$). Электроны остаются на цинковой пластине, сообщая ей отрицательный заряд. Этот процесс называется окислением.

Химическое уравнение реакции на аноде (-):

$Zn^0 \rightarrow Zn^{2+} + 2e^-$

2. На медном электроде (катоде): Медь — менее активный металл. Электроны, избыток которых образовался на цинковой пластине, при замыкании внешней цепи (например, проводом) перетекают по ней к медной пластине. В растворе серной кислоты присутствуют положительно заряженные ионы водорода ($H^+$). Они притягиваются к медной пластине, получают с нее электроны и восстанавливаются до нейтральных молекул газообразного водорода ($H_2$), который выделяется в виде пузырьков. Этот процесс называется восстановлением.

Химическое уравнение реакции на катоде (+):

$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2^0 \uparrow$

3. Во внешней цепи: Направленное движение электронов от отрицательно заряженного цинкового электрода к положительно заряженному медному электроду по проводнику и представляет собой электрический ток. Разность потенциалов (напряжение) между электродами возникает из-за разной способности металлов к окислению.

Суммарная реакция в элементе Вольта:

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

Таким образом, элемент Вольта работает за счет химической реакции между цинком и серной кислотой, энергия которой преобразуется в электрическую энергию, создающую ток во внешней цепи.

Ответ: В элементе Вольта цинковая и медная пластины погружены в раствор серной кислоты. Цинк (более активный металл) окисляется, отдавая электроны и заряжая пластину отрицательно. Электроны по внешней цепи перемещаются к медной пластине. На медной пластине ионы водорода из кислоты принимают эти электроны и восстанавливаются до газообразного водорода. Движение электронов во внешней цепи создает электрический ток. Таким образом, энергия химической реакции преобразуется в электрическую.