Почему работает вольтов столб

– Происходят ли какие-нибудь скрытые изменения, за счет которых вырабатывается электрическая энергия?

– Ответа на этот вопрос Вольта не дает. На него ответили значительно позже. Я, пожалуй, сокращу для вас часть этого долгого пути и расскажу, что известно нам сейчас, спустя два века после открытий Гальвани и Вольты, о гальванических элементах, о возникновении электродвижущей силы.

Вольтов столб представляет собой батарею с множеством гальванических элементов. В столбе, о котором шла речь, гальванические элементы – серебряно-цинковые. Такие же элементы могут быть созданы и с помощью других пар металлов. Достаточно, чтобы они удачно соединились. Не следует забывать также и о тонком влажном картоне: без него элемент не сможет работать (то есть может, конечно... если опустить два разных металла в жидкость).

Что происходит, когда металл погружают в воду или водный раствор соли, содержащий ионы этого же металла? Давайте погрузим кусочек цинка в водный раствор сульфата цинка ZnS04.

Мы уже говорили, что в узлах кристаллической решетки соли находятся положительно и отрицательно заряженные ионы, которые совершают колебательные движения около положения равновесия, а между ними «стремительно» вращаются электроны. Мы говорили также о том, что электроны могут легко покидать металл. И не так уж важно, произойдет ли фотоэмиссия, термоэмиссия или автоэмиссия. Важно, что при определенных условиях эмиссия электрона может осуществиться.

– А могут ли они стать свободными?

– Могут. Но это очень трудно. Для того, чтобы оторвать положительно заряженный ион с поверхности металла, требуется большая энергия.

Если металл погрузить в воду, то его катионы начнут переходить в жидкость. Благодаря наличию электрического заряда у катиона на поверхности металла остается равный по величине, но противоположный по знаку заряд в виде избыточных электронов, т. е. поверхность металла становится отрицательно заряженной. Она начинает притягивать к себе положительно заряженные ионы металла, которые уже перешли в раствор и, таким образом, катионы не могут свободно перемещаться в объем раствора. Поэтому на границе металла с раствором возникает двойной электрический слой, который можно представить себе в виде плоского конденсатора, отрицательная обкладка которого – это поверхность металла, а положительная – соприкасающийся с ним слой растворенных ионов. Уже после растворения очень небольшого числа ионов заряд двойного слоя настолько возрастает, что дальнейшее растворение металла прекращается.

Если же металл погружен не в воду, а в раствор своих ионов, (например, Zn в раствор ZnS04), то картина будет несколько иная. Если концентрация раствора ZnS04 невелика, то образование двойного электрического слоя будет происходить так же, как в случае растворения металла в воде. Если же концентрация ионов в растворе велика, то сначала будет наблюдаться осаждение катионов на поверхность металла, которая зарядится положительно. Теперь поверхность металла будет притягивать к себе отрицательные ионы (в нашем примере, S04), и образуется двойной электрический слой с положительной обкладкой из металла и отрицательной – из растворенных анионов.

Катионы будут осаждаться до тех пор, пока заряд на поверхности не достигнет такой величины, при которой дальнейшее осаждение станет невозможным из-за отталкивания одноименных зарядов металла и его ионов.

Когда имеются два противоположно заряженных тела, говорят, что между ними существует разность потенциалов. Такая разность потенциалов устанавливается и здесь, в двойном электрическом слое на границе металл – раствор. Переход ионов из металла в раствор и обратно создает между ними разность потенциалов. Пару металл – раствор принято называть электродом. В этом случае потенциал называется


Полезное чтиво:
Электродный потенциал
Опыты над металлами
Как определить потенциал
Как энергия выделяемая при химических реакциях, может превратиться в электрическую!
Опыты с растворами
Условия окисления углерода