Если м>ежду плативкиюв пшастянвож и раствором существует контактна» разность потенциалов, она обязательно отличается от развести потенциалов между цинком и раствором хотя бы потому, что в первом случае происходит обмен электронами, а во втором—иоиами. Следовательно', теперь, сумма гальвани-потевциалов в замкнутой цеив не равна нулю в в цепи может протекать той. Так и есть ва самом деле, причем в металлических проводниках вереносчдаками тока являются электроны, а в растворе — ионы ОН- которые перемещаются от платиновой пластинки к цинковой.
Как объяснить это явление? Чем отличается контакт двух металлов от контакта металла и раствора? На этот счет имеется несколько версий. Можно сказать, например, что электроны, перешедшие через границу двух металлов, притягиваются к оставшимся «на родине» положительным зарядам, и это не позволяет им отойти далеко от границы раздела. Ионы ОН-, окруженные молекулами воды, слабо взаимодействуют друг с другом. Они свободно перемещаются (диффундируют) во все стороны, но те из них, что случайно оказываются возле цинковой пластинки, вступают в реакцию окисления цинка н выбывают из игры. Предлагая такое объяснение, говорят, что наличие тока в цепи объясняется наличием в растворе (электролите) переносчиков заряда — ионов.
Согласно второй версии основными виновниками считаются атомы водорода. В реакции Zn+++20H--*Zn04-+ Н20+2е каждая молекула ОН" разделяется на ионы 0~ и Ht, Ион О— вступает в реакцию с ионами 2П++, образуя молекулу ZnO. Иои Н+ в составе молекулы воды путешествует к ндатиыовой аластннке, т.е. служит пере-аостгвш аможихелыюго заряда, и участвует там в ре-«тиы HsOi^e—"Й-т-ОН-. Тавое «водородное* ©бъяене-*»е имеет свои преимущества.
И все же более соответствует природе вещей, хотя и менее наглядно, следующее объяснение. В реакции, проходящей на границе цинк — металл, образуется новое вещество — окись цинка. Цимк окисляется или попросту сгорает. Поскольку средняя потенциальная энергия ионов Zn++ в металле больше, чем в окиси, в ходе реакции выделяется энергия. Зга избыточная энергия позволяет совершить работу, связанную с ярохождением тока в замкнутой иедн. Система, состоящая из банки со щелочью, цинковой и ллатийовой лластишж, представляет собой маленькую тепловую электростанцию.
Да, да, тепловую — мы не оговорились. В этой системе, называемой, к слову сказать, гальваническим элементом, ироисходит процесс сжигания щшка. В результате выделяется тепловая анергия (тепло — это движение частиц). Только в вашем случае эта энергия проявляется не в форме беспорядочного донжемия молекул, а в форме упорядоченного движения электронов в металле и переносчиков в растворе. Благодаря упорядоченности качество энергии оказывается выше.
Гальванический элемент обладает многими существенными достоинствами. Поскольку химическая энергия топлива (цинка) превращается в нем непосредственно в энергию электрическую, минуя промежуточные стадии, кпд таких элементов равняется 60%, а у лучших образцов доходит до 80%, в то время как у настоящих тепловых электростанций кпд не бывает выше 30%. Но вот беда! Если вместо медного проводника включить, скажем, электрическую лампочку, она загорится, но — увы! — перестанет гореть через несколько минут. Виноват во всем водород. Пузырьки водорода покрывают платиновую пластинку сплошным слоем и изолируют ее от раствора. Такое явление называется поляризацией. Наша конструкция гальванического элемента требует усовершенствования.
Электроды
Реакцию, которая происходит между цинковой пластинкой и раствором, называют электродной. Кроме обычных для химических реакций исходных веществ, в процессе электродных реакций выделяются (или поглощаются) еще и электроны. Процесс, в результате которого у атомов вещества (в нашем случае цинка) отнимаются электроны, называют окислением. Электрод, на котором протекает окислительный процесс, т. е. тот электрод, в который уходят электроны, называется анодом. Соответственно второй электрод, из которого электроны поступают, называется катодом. Электродную реакцию окисления называют анодной реакцией. Совсем не обязательно электроды должны быть металлическими или даже твердыми. Часто используют, например, газообразные электроды. Переносчик ионов (электролит) тоже совсем не обязательно должен представлять собой раствор. Электролиты бывают разные, в том числе и твердые.