Гальваническая пара

Субтитры

Рассмотрим реакцию с участием ионов меди. Их заряд - плюс два. Водный раствор. В этом растворе может также находиться некоторое количество отрицательных ионов. Но нас сейчас интересует другое. Мы знаем, что когда такие ионы присутствуют в растворе, они диссоциируют. У нас есть ионы, свободно плавающие в воде. Также, здесь могут присутствовать отрицательные ионы, чтобы нейтрализовать раствор, но пока нам интересны положительные. Добавим в этот раствор цинк. И они захотят поменяться местами. Медь стремится выпрыгнуть из раствора. Наверное, стоит это нарисовать. Нарисуем. Вот наш раствор. Нарисуем его синим, потому что он водный, то есть по большей части состоит из воды. В растворе плавают ионы меди. Их заряд равен плюс 2. Отрицательные ионы также могут присутствовать, например, нитратные ионы, или другие, но все они диссоциировали. Смешиваются с полярными молекулами воды, и именно поэтому ионы разъединяются, например, соли, как правило, хорошо растворяются в воде. И мы добавляем сюда кусочек цинка. Твердого цинка. Давайте попробуем. Вот наш цинк. И реакция показывает, что ионы меди, если они могут удержать электроны и, по сути, стать нейтральными, предпочтут вернуться в твердое состояние. А атомы цинка, пребывающие в твердом состоянии, теряя электроны, стремятся попасть в раствор. Запишем всю реакцию. Медь получает электроны и переходит в твердое состояние. А цинк теряет электроны, и становится положительными ионами, или катионами. И попадает в раствор, нарисуем тем же цветом... так, вот он... плюс цинк 2 плюс, водный раствор. Уточню. Это реальные ионы. Мы работаем со степенями окисления.. У ионов степень окисления равна заряду, который больше не гипотетический. Степени окисления раньше были гипотетическими зарядами, как в ионных связях. Тут же они и есть ионные, поэтому степени окисления равны зарядам. Еще одно. Если написано 2 плюс, это означает реальный заряд. Если написано плюс 2 - по крайней мере, так нас учили, в разных местах, разные правила, то это означает степень окисления, то есть это не обязательно должен быть ион, но так было было, если бы это был ион. Итак, если написано плюс 2, то это степень окисления. Если написано 2 плюс, то это означает реальный заряд. Точно так же, если у нас есть обычный ион с зарядом в 1, например, Na плюс, это означает его настоящий заряд. Если мы хотим указать степень его окисления, то напишем плюс 1. Это просто небольшая заметка, которая не сильно меняет всю схему, но иногда можно запутаться, что же перед нами степень окисления или заряд. Уточните у ваших учителей в школе и убедитесь, что они используют те же правила, что и мы здесь. Вернемся к нашей реакции. Разберем полуреакцию для этой части. Мы начали здесь, можно посмотреть на начальные степени окисления. Этот элемент окисляется. Его заряд равен 2, как и степень окисления. И он получает нейтральный заряд. Он получил два электрона и восстановился. Он перешел от положительного заряда к нулевому. Его заряд восстановился. Давайте это запишем. Этот атом восстановился. Напишем для него полуреакцию. Была медь в водном растворе и получила два электрона. Восстановление. Итак, плюс два электрона. И получилась медь в твердом состоянии. Ее степень окисления равна 0. Посмотрим, что происходит с цинком. Вначале цинк был нейтральным, пребывая в твердом состоянии. С электронами все было в порядке. Но затем он попал в этот раствор и получил заряд. Значит, потерял электроны. Полуреакция для цинка. Был твердый цинк, который отдает два электрона и становится ионом. И становится ионом. Обозначим водный раствор. В принципе, можно сказать, что эта реакция продолжается. Это настоящая реакция. Сейчас мы поговорим о том, насколько сильно электроны стремятся выпрыгнуть из... откуда они выпрыгивают? Они перепрыгивают от цинка к меди. Мы поговорим о том, насколько сильно они стремятся перепрыгнуть с точки зрения напряжения. Напряжение обозначает, насколько сильно стремится измениться заряд, то есть сколько потенциальной энергии есть у заряда. В рамках реакции в целом нам нужно понять, что происходит перемещение заряда от цинка когда тот оказывается в водном растворе, к меди, которая принимает твердую форму. Итак, электроны перемещаются. Если бы как-то могли усмирить эти электроны, то создали бы электрический ток. Электроны движутся, но делают это неорганизованно. Потому что весь раствор перемешан. Возникает интересная ситуация. Видно, как сильно электроны стремятся в этих направлениях. Мы видим это в полуреакциях. Можно посмотреть в таблицу и найти там эти энергии или напряжение для этих реакций. Вот у этой полуреакции есть напряжение. Иногда его пишут как E. Иногда иначе, но это выходит за рамки первого курса химии. Оно определено в 0,34 вольт. Реакция в этом направлении обладает электрическим напряжением. Равным 0,76 вольт. Если мы запишем эту реакцию в другом направлении, напишем ее цинк плюс 2 электрона превращается в твердый цинк, тогда нам просто нужно будет поменять знак. Но суть в том, что вот это состояние обладает большей энергией, чем это. Поэтому реакция стремится в этом направлении. И делает это с энергией, поделенной на кулон. Мы можем увидеть более детальный физический процесс в вольтах. Вольт равен джоулям, поделенным на кулон. Вот насколько сильно электроны стремятся присоединиться к меди. Насколько сильно они стремятся покинуть цинк. Возьмем всю реакцию целиком, и рассмотрим энергию всей этой реакции. Электроны стремятся присоединиться к меди со всей этой энергией и покинуть цинк с вот этой энергией. Поэтому энергия всей реакции, того, насколько сильно электроны стремятся перейти от цинка к меди, представляет собой сумму этих двух энергий. И мы получаем 1,1 вольт. Все это очень интересно и полезно. Может, можно построить батарею или гальванический элемент? Если вы не знаете, что это такое, я сейчас вам покажу.. Конечно можем. В этом вся суть данного видео. Как же нам обуздать заряд? Давайте разделим две реакции. Попробуем их разделить. Поместим сюда кусочек цинка. Не буду менять цвета. А сюда - кусочек меди. Скопирую все то, что мы написали тут. Чтобы помнить, как выглядит реакция. Давайте так и сделаем. Это не повредит. Отлично. Вставим все вот сюда. Не будем обращать внимания на все эти волнистые линии вокруг. Поместим оба наши кусочка в водный раствор. В нем могут содержаться другие ионы, чтобы помочь нейтрализовать разницу. Итак, мы помещаем их в водный раствор. Но они идут раздельно. Вот как-то так. Отметим их соответствующим образом. Это у нас кусок твердого цинка. А это - кусок твердой меди. Подпишу другим цветом. Итак, это у нас кусочек твердой меди. И водный раствор. Итак, что же произойдет, если мы соединим два этих металла? Это металлы. Согласно таблице Менделеева, оба они являются переходными металлами. Каждый из них окружен морем электронов. Поэтому они оба хорошо проводят электричество. Что будет, если мы соединим их с помощью провода? Соединяем их. Цинку не терпится попасть в воду и избавиться от своих электронов. Предположим, так и происходит. Цинк попадает в водный раствор и превращается в положительный ион цинка. И оставляет свои электроны, так? По сути, у него есть два электрона. Мы уже провели тут полуреакцию. Цинк попадает в раствор и избавляется от двух электронов. Эти два электрона стремятся уйти от цинка. У нас также есть большое количество меди, в этом растворе. Электроны цинка хотят к ней. Пока что все они - ионы. Все это - плюс 2 ионы. И они стремятся перепрыгнуть на этот кусочек и присоединиться к другим ионам меди. Но чтобы перепрыгнуть сюда, им нужно заполучить несколько электронов. Каждый из этих элементов должен получить по два электрона. И мы знаем, что потенциальная или электродвижущая сила, с помощью которой они стремятся захватить эти электроны, равна 0,34 вольт. Эти элементы стремятся попасть сюда и захватить электроны откуда-нибудь с силой в 0,34 вольт. Эти элементы стремятся спрыгнуть с кусочка и избавиться от своих электронов с силой в 0,76 вольт. Что же может произойти, если у нас есть электрический провод? Эти электроны, спрыгнув с цинка, начинают свое путешествие по проводу. И затем они становятся доступными, поскольку это добавочные электроны, для слияния с ионами меди, которые стремятся перепрыгнуть назад на кусочек. Что же получается в итоге? Что получается из этой реакции? У нас есть поток электричества, идущий по проводу. И какое же здесь напряжение? Насколько сильно эти электроны стремятся перейти от цинка к меди в растворе, чтобы позволить меди присоединиться к куску? Сила стремления равна плюс 1,1 вольт. Вопрос в том, что, если электроны текут в данном направлении, то где здесь катод и где здесь анод? Катод это положительный полюс. Мы уже можем представить, что это у нас батарея. Электричество генерируется благодаря разнице напряжений между двумя полюсами. Катод это положительный полюс. Именно к нему стремятся электроны. Анод же,мы можем вспомнить знакомые нам названия, катион - это положительный ион, а анион - это отрицательный ион. Поэтому анод - это отрицательный полюс. Итак, где здесь отрицательный полюс? Отрицательный полюс это то, откуда приходят электроны. Мы видим, что электроны приходят от цинка. Это отрицательный полюс. А где же положительный? Он там, куда стремятся электроны. Они стремятся сюда вниз к меди, которая стремится выпрыгнуть из раствора. Это положительный полюс, или катод. Здесь катод. А здесь анод. Происходит ли окисление или восстановление в катоде и аноде? Сейчас посмотрим. Тут у нас цинк в твердом состоянии. Нейтральный цинк оказывается в растворе, отказываясь от двух электронов. Он теряет электроны. При потере электронов происходит окисление. Значит, тут происходит окисление. А с этой стороны у нас есть ионы меди в растворе, и они получают электроны. Поэтому их заряд восстанавливается. Таким образом, восстановление происходит в катоде. Восстановление. Теперь мы можем сказать, что это батарейка, можно назвать ее гальваническим элементом, которая создает электричество. Но тут у нас есть проблема. По мере того, как это происходит, все больше и больше положительных ионов цинка прыгают в раствор. По мере развития, у нас есть все больше и больше положительных ионов цинка. И у нас будет все меньше и меньше ионов меди. Если мы предположим, что есть другой способ, скажем сохранить раствор нейтральным, медь положительна, может быть у нас был бы тут хлор, анионы хлора, которые сохраняли бы раствор нейтральным. Возможно, у нас были бы анионы хлора. Вначале он отрицательный, но постепенно становится все более нейтральным по мере добавления цинка. Но когда это происходит в большом количестве, то он становится сильно положительным. Так и происходит. А этот становится все более отрицательным, по мере добавления меди. Как решить эту проблему? Один из способов решить проблему, который используют на первом курсе химии - создать то, что называется соляным мостиком. Они создают то, что можно назвать псевдо-водным раствором соли. Это может быть хлорид калия. Итак, здесь у нас хлорид калия. У него положительный заряд, плюс хлор с отрицательным зарядом. Оба в воде. А псевдо-водный, потому что это не слишком жидкая вода. Мостик должен быть вязким, чтобы он не смешивался с раствором. Если бы это была чистая вода, то все бы утонуло в растворе, и ничего бы не осталось. Это было бы бесполезное устройство. Но используется гель, в котором достаточно воды, чтобы ионы могли плавать. Ионы натрия и хлора могут в нем двигаться. Простите, не натрия, а калия, мы взяли калий. А ионы хлора сделаем синими. Здесь происходит окислительно- восстановительная реакция, которая заставляет электроны перемещаться от анода к катоду, этот становится положительным, а этот - отрицательным. Соляной мостик позволяет отрицательным компонентам ионизированной соли, хлору, попасть в раствор, и нейтрализовать его. И в результате получается все больше хлора, по мере того, как расходуется цинк. Если выпарить раствор, мы получим хлорид цинка. А с этой стороны, для сохранения баланса, у нас есть множество положительных частиц, компонентов соли. Калий входит для того, чтобы заменить медь, которая выпрыгивает оттуда. И когда все это происходит, электричество получает возможность течь, не вредя заряду. Что случится, если раствор станет сильно положительным? Нарисуем это каким-нибудь ярким цветом. Здесь нет солевого мостика. В определенной точке электроны смогут просто перейти сюда и запустить реакцию, потому что здесь много положительных элементов. И не захотят отсюда уйти. Поэтому мы должны что-то сделать, чтобы нейтрализовать здесь заряд. И если этот раствор станет слишком отрицательным из-за выпрыгивающих атомов хлора, электроны сюда не придут. Потому что заряды отталкивают друг друга. Именно поэтому солевой мостик нейтрализует раствор. Он удерживает его от того, чтобы тот не стал отрицательным, и гальванический элемент может нормально работать. Subtitles by the Amara.org community