Попытаемся усовершенствовать гальванический элемент. В уже знакомую вам банку со щелочью КОН поместим цинковую пластинку и электрод, представляющий собой решетку из окиси серебра Ag20. Окись серебра взаимодействует с раствором, происходит реакция Ag20+H20+2e—*2Ag+20Н~.
В процессе окисления окисляемое вещество отдает свои электроны. В молекуле окиси серебра валентные электроны атомов серебра отданы «на общие нужды», они участвуют в формировании структуры молекулы. Получая от электрода два дополнительных электрона, молекула окиси серебра распадается на два нейтральных атома серебра и ион кислорода О— с двумя лишними электронами. Всякая реакция, в ходе которой атомы вещества получают электроны, называется реакцией восстановления. В нашем случае чистое серебро восстанавливается из окиси и выделяется на электроде, который мы условились называть катодом. Поскольку в ходе реакции участвуют электроны, ее также называют электродной, в отличие от реакции с цинком это не анодная, а катодная электродная реакция.
Освободившиеся в результате катодной реакция ионы кислорода реагируют с водой, образуя два, иов£ ОН-. Эта реакция, по сути дела, не является электро-ной, однако в ее ходе в электролит переходят отрица^ тельно заряженные ионы. Электролит постепенно np$r обретает отрицательный заряд. Если электроды, ид соединены, между электродом и раствором устана.вл^ вается равновесная разность электри^ескрх^1п^уен,Ц}1^лЖ опять-таки равная исходной ря№ЖЩ-!ШЩШ11рШ9*Ш* потенциалов,— все точно так же* в ре$фздн^^^вк<щ,,
Если соединить электроды проводвдеязд^ра^еОД замкнутая электрическая цепь, и по ней «потечет ток. При этом поддерживается равенство: на каждый окислившийся (сгоревший) атом цинка приходятся два атома восстановившегося серебра. Равенство это поддерживается потому, что в катодной реакции участвуют только электроны, пришедшие с анода.
Ну а в электролите? Здесь снова предлагаются два описания. Согласно первому образовавшиеся в результате катодной реакции ионы ОН~ перемещаются к аноду и там участвуют в анодной реакции. Согласно второму объяснению полученные в результате анодной реакции атомы водорода в составе молекул воды путешествуют к катоду. Но теперь они не выделяются на катоде (поляризация), а соединяются с освободившимися в результате катодной реакции атомами кислорода, давая все тот же ион ОН-.
Еще одна подробность, на которую стоит обратить внимание. Ионы ОН- согласно одному из описаний, путешествуют от катода к аноду. Но на самом деле это не обязательно. Конечно, ничто не преиятствует какому-нибудь конкретному, рожденному у катода иону ОН-совершить путешествие через всю банку к аноду. В отличие от электронов ионы достаточно четко локализованы в пространстве, и в принципе такое путешествие можно было бы даже проследить. Но необходимости в таком путешествии нет. Все что нужно — это чтобы общая концентрация ионов ОН- в электролите поддерживалась постоянной. Ведь фактически расходуются только цинк, необратимо переходящий в окись цинка, и окись серебра, из которой выделяются атомы серебра. Для протекания тока не нужно, чтобы молекулы окиси цинка переходили к катоду или атомы серебра к аноду.
Что же касается ионов ОН-, то вполне допустимо и такое описание. Вблизи катода ионы ОН- присоединяют к себе ионы водорода и образуют воду, а вблизи анода вода диссоциирует и образует ионы ОН-. Общий баланс вещества при этом не меняется. Это особенно справедливо для электронов. Совершенно не обязательно, чтобы длиннейшее' путешествие от анода к катоду совершал какой-либо конкретный электрон. Физикой установлено, что электроны не имеют индивидуальности. Электрон, как уже говорилось, вполне может «исчезнуть» (например, «провалиться» на один из низких уровней) у анода и в тот же миг «родиться* (выскочить на уровень свободной зовы) у катода. Важно, чтобы общее количество электронов, выделившихся у анода, было равно общему количеству электронов, потребленных у катода.
Аккумуляторы
Серебряно-цинковый гальванический элемент обладает еще одним замечательным свойством. Нормально при протекании тока расходуются цинк и окись серебра. Теоретически ток протекает до тех пор, пока не израсходуется весь цинк или вся окись серебра, или то и другое вместе. На самом деле ток перестает протекать (мы говорим, батарейка сгорела) гораздо раньше.
Что произойдет, если серебряно-цинковый элемент подсоединить к внешнему источнику электрической энергии анодом к отрицательному полюсу, а катодом — к положительному? На аноде образуется избыток электронов. Обладая относительно высокой средней энергией, они поступят в раствор и послужат причиной реакции восстановления: ZnO+H20-r-2e—*Zn+20H-. Наоборот, атомы серебра на катоде, отдавая свои электроны внешнему источнику электрической энергии, окисляются: