Посмотрим теперь, что произойдет, когда мы соединим электроды металлической проволокой, как показано на рис. 119. Так как между медным и цинковым электродами существует, как мы видели, некоторая разность потенциалов, то во внешней цепи электроны начнут уходить от электрода с более низким потенциалом (цинкового) к электроду с белее высоким потенциалом (медному). При этом равновесие между электродом и окружающим его электролитом в обеих камерах нарушается. В правой камере цинк становится недостаточно отрицательным (часть электронов с него ушла); в левой камере медь становится слишком отрицательной (сюда пришли лишние электроны). Вследствие этого в правой камере цинк начнет растворяться; в раствор будут переходить дополнительные ионы Zn2+, а на цинке будут оставаться электроны, восстанавливающие его заряд. В левой камере, наоборот, ионы Cu2+ будут нейтрализоваться на электроде избыточными электронами и осаждаться на нем в виде нейтральных атомов. Таким образом, в результате растворения цинка и осаждения меди разность потенциалов между этими электродами будет все время сохранять постоянное значение, и в цепи будет идти длительный ток постоянной силы.
Мы видим, что в описанном процессе в правой камере должны были бы накапливаться избыточные ионы Zn2+, а в левой — избыточные ионы SO2-4. Но эти противоположно заряженные частицы притягивают друг друга, и так как перегородка между камерами пористая, то ионы SO2-4 просачиваются через нее из левой камеры в правую, и концентрация ZnSO4 в правой камере возрастает. В левой камере, наоборот, вследствие ухода ионов Cu2+ к меди и ионов SO2-4 в правую камеру концентрация CuSO4 в растворе убывает. Понятно, что если бы элемент работал в этих условиях достаточно долго, то концентрация ZnSO4 в правой камере достигла бы насыщения и из раствора начали бы выпадать кристаллы ZnSO4, а в левой камере концентрация CuSO4 стала бы настолько малой, что э. д. с. элемента упала бы до нуля, и элемент не мог бы дальше работать. Поэтому, чтобы
168
обеспечить длительную работу элемента, вводят в раствор запас кристаллов CuSO4, которые постепенно растворяются и поддерживают раствор в состоянии насыщения. В сосуде (рис. 119) избыточные кристаллы CuSO4 и ZnSO4 лежат просто на дне (не изображены).
Мы видим, таким образом, что, в то время как во внешней цепи гальванического элемента (в проводах) движутся электроны от места с более низким потенциалом к месту с более высоким, т. е. от цинкового электрода к медному, в электролите движутся ионы: отрицательные (анионы SO2-4) от меди к цинку и положительные (катионы Cu2+ и Zn2+) от цинка к меди. Таким образом поддерживается непрерывный круговорот зарядов как вне элемента по проводам, составляющим внешнюю цепь, так и внутри элемента, через электролит. Направление движения электронов и катионов в случае элемента Даниеля показано на рис. 119 схематически маленькими стрелками. Согласно условному обозначению направления тока (§41), все эти потоки зарядов образуют общий ток, циркулирующий по цепи в направлении от меди к цинку.
Так же в основном происходит процесс возникновения э. д. с. и тока и в других гальванических элементах, хотя часто этот основной процесс осложняется вторичными реакциями, происходящими на электродах.
Источником энергии электрического тока является энергия, выделяющаяся при химических реакциях между электродами и электролитами, связанных с прохождением тока. В элементе Даииеля, как мы Видели, таких реакций две: растворение цинка и превращение его в ZnSO4, с одной стороны, и выделение меди из раствора CuSO4, с другой стороны. Первая из этих реакций идет с выделением энергии. Если ее провести в калориметре, то можно определить, что при растворении одного моля цинка выделяется количество теплоты, равное 4,4•105 Дж. Напротив, реакция выделения меди — это реакция, требующая притока энергии извне. На выделение одного моля меди нужно затратить энергию 2,34•105 Дж. Разность энергии, освобождающейся при растворении цинка, и энергии, поглощаемой при выделении меди, равна (4,4— —2,34)•105Дж=2,06•105Дж. Это и есть тот запас энергии, который может дать элемент при растворении одного моля цинка и соответственно выделении одного моля меди.
Отсюда нетрудно рассчитать теоретически, какова должна быть э. д. с. элемента Даниеля. Положим, что ток, отбираемый от элемента, настолько мал, что напряжение U между его зажимами практически равно его э. д. с. Мы знаем (§ 57), что работа А, совершаемая током, равна заряду q, протекшему в цепи, умноженному на напряжение U. Но при выделении на электроде одного моля двухвалентной меди через цепь протекает заряд 9=2•96 484 Кл. Стало быть, работа, совершаемая током, равна 2•96 484 •U [Дж] ?1,93•105U [Дж].Эта работа, очевидно, должна быть равна энергии, освобождающейся в результате химических далее