Почему алюминиевый провод нельзя скручивать с медным, а цинк спасает сталь от ржавчины? Опускай два металла в растворы их солей, соединяй проводом и смотри, кто станет анодом и какое напряжение покажет вольтметр.
Если бросить цинк в раствор медного купороса, цинк отдаст электроны меди прямо на месте и просто нагреется. А если цинк и медь поставить в разные стаканы и соединить проводом, электроны пойдут от цинка к меди по проводу и зажгут лампочку. Стаканы соединяют солевым мостиком: по нему ходят ионы, чтобы растворы оставались нейтральными.
Какой металл будет отдавать электроны, показывает ряд напряжений. Каждому металлу приписан стандартный потенциал E°. Металл левее в ряду, с меньшим потенциалом, становится анодом и растворяется. Металл правее становится катодом, на нем оседает металл из раствора. Чем дальше металлы друг от друга в ряду, тем больше напряжение.
ⓘ Металл в ряду напряжений можно выбрать прямо на шкале под рисунком: опыт заменит тот электрод, который ближе к нему. Потенциалы табличные, при 25 °C; концентрация ионов учитывается по уравнению Нернста.
ЭДС считается по ряду напряжений, концентрация немного сдвигает потенциалы, а ток зависит от того, что подключено к элементу. Числа под формулами берутся из опыта, подсвечена карточка, которая сейчас важнее всего.
Какое напряжение даст пара металлов?
Из потенциала катода вычитают потенциал анода. Анод тот, у кого потенциал меньше, поэтому ЭДС всегда положительна. Это напряжение, которое покажет вольтметр без нагрузки.
Уравнение Нернста: если раствор не 1 моль/л
Чем меньше ионов металла в растворе, тем легче металлу раствориться и тем ниже его потенциал. Разбавление в 10 раз сдвигает потенциал на 59 мВ, деленные на заряд иона.
Ток и сколько металла растворится
Закон Ома для полной цепи: ток зависит от нагрузки R и внутреннего сопротивления r. Масса анода, ушедшая в раствор, по закону Фарадея m = M · I · t / (z · F).
ΔG = −z · F · ЭДС
Реакция цинка с ионами меди выделяет энергию. В гальваническом элементе эта энергия не уходит в тепло, а превращается в работу электронов в проводе: каждый моль электронов несет заряд F и проходит разность потенциалов ЭДС. Поэтому энергия реакции ΔG и напряжение связаны напрямую. Если ЭДС больше нуля, ΔG меньше нуля, и реакция идет сама.
Тот же механизм работает без всяких стаканов, когда два разных металла касаются друг друга во влажной среде. Капля воды служит раствором и мостиком, а место касания проводом. Металл левее в ряду становится анодом и растворяется: это контактная коррозия. Поэтому алюминий нельзя напрямую соединять с медью, а оцинкованный лист, наоборот, защищает сталь: цинк жертвует собой.
Обычная щелочная батарейка это цинковый анод и катод из диоксида марганца, 1,5 В. Литиевые элементы дают около 3 В, потому что литий стоит в самом начале ряда. Напряжение батареи определяется парой веществ, а емкость их количеством.
Скрутка алюминиевого и медного провода во влажном воздухе работает как замкнутый элемент с ЭДС около 2 В. Алюминий окисляется, контакт растет по сопротивлению и греется. Поэтому их соединяют через клеммы, гильзы или луженые наконечники.
Цинк левее железа, поэтому на поцарапанной оцинковке растворяется цинк, а сталь цела. На корпуса судов, трубопроводы и водонагреватели ставят протекторы из цинка, магния или алюминия: они растворяются вместо стали, их меняют как расходник.
Стальной болт в латунной или медной детали, нержавейка на алюминиевой раме, медные трубки на стальном баке ржавеют на стыке. Там, где есть вода и соли, ставят изолирующие прокладки и шайбы, а металлы подбирают близкими по ряду.
Медь из кислых растворов, например из шахтных и рудничных вод, осаждают железным ломом: железо левее меди и вытесняет ее. Так же цинковой пылью осаждают золото из цианистых растворов на золотоизвлекательных фабриках.
Напряжение элемента зависит от концентрации ионов по уравнению Нернста. На этом основаны pH-метры, кислородные датчики (лямбда-зонд в выпускной системе двигателя) и приборы контроля катодной защиты трубопроводов.
Потенциалы стандартные, при 25 °C, из справочника; для Au взят потенциал пары Au³⁺/Au. Растворы идеальные: концентрации подставляются вместо активностей. Внутреннее сопротивление элемента принято постоянным, 5 Ом, а поляризация электродов, из-за которой под нагрузкой напряжение падает сильнее, не учитывается. Литий и калий на самом деле реагируют с водой сами, в водном растворе такой элемент работать не будет; щелочные металлы в опыте нужны, чтобы показать начало ряда. Алюминий на воздухе покрыт оксидной пленкой, и его реальный потенциал в растворе выше табличного, пока пленка цела. Скорость растворения анода на рисунке ускорена, а расчет массы в час честный.