17.6: Електрохімічні клітини як елементи ланцюга

Припустимо, ми використовуємо провід для з'єднання клем комірки, побудованої з напівкомірки іона срібла - срібла та напівкомірки іона міді. Потім цей провід становить зовнішній ланцюг, шлях, яким слідують електрони, оскільки хімічна зміна відбувається всередині комірки. Коли зовнішня ланцюг являє собою просто провід низького опору, осередок закоротковується. Зовнішня схема може бути більш складною. Наприклад, коли ми хочемо знати напрямок потоку електронів, ми включаємо гальванометр.

Якщо має відбутися реакція між іонами срібла та металом міді, електрони повинні пройти через зовнішній ланцюг від мідного клеми до срібного терміналу. Електрон, який може вільно рухатися при наявності електричного потенціалу, повинен віддалятися від області більш негативного електричного потенціалу і до області більш позитивного електричного потенціалу. Оскільки електронний потік знаходиться далеко від мідного терміналу та до срібного клеми, мідний термінал повинен бути електрично негативним, а срібний термінал повинен бути електрично позитивним. Очевидно, якщо ми знаємо хімічну реакцію, яка відбувається в електричній комірці, ми можемо відразу ж вивести напрямок потоку електронів у зовнішньому ланцюзі. Знання напрямку потоку електронів у зовнішньому ланцюзі відразу говорить нам, що є негативним, а який позитивний термінал комірки.

Зворотне також вірно. Якщо ми знаємо, який термінал комірки є позитивним, ми знаємо, що електрони у зовнішньому контурі течуть до цього терміналу. Навіть якщо ми нічого не знаємо про склад клітини, той факт, що електрони течуть до певного терміналу, говорить нам про те, що реакція, що відбувається в цій напівклітині, є реакцією, в якій вид розчину, або матеріал електрода, займає електрони. Тобто деяка хімічна сутність зменшується в напівклітині, потенціал якої позитивний. Може трапитися так, що ми знаємо напівреакцію, яка відбувається в даній напівклітині, але що ми не знаємо, в якому напрямку йде реакція. Наприклад, якщо ми замінимо напівклітинку іонів срібла та срібла на аналогічну клітинку, що містить водний розчин нітрату цинку та цинковий електрод, ми впевнені, що реакція напівклітинної

\[\ce{Zn^{0} \to Zn^{2+} + 2e^{-}}\]

або

\[\ce{Zn^{2+} + 2 e^{-} \to Zn^{0}}\]

Коли ми експериментально визначаємо, що мідний електрод електрично позитивний по відношенню до цинкового електрода, ми знаємо, що електрони виходять з цинкового електрода і стікають до мідного електрода. Тому реакція клітини повинна бути

\[\ce{Zn^{0} + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu^{0}}\]

Зручно мати назви для клем електрохімічної осередку. Одна угода про іменування полягає в тому, щоб назвати один термінал анодом, а інший - катодом. Визначення полягає в тому, що катод - це електрод, при якому відновлюється реагуючий вид. У клітинці, що містить іон срібла, срібний електрод є катодом. У комірці, що містить іон цинку, мідний електрод є катодом. У цих осередках катодом є електрично позитивний електрод. Важливою особливістю цих експериментів є те, що напрямок електричного потенціалу у зовнішньому ланцюзі встановлюється реакціями, які відбуваються спонтанно в осередках. Клітини є джерелами електричного струму. Клітини, які працюють на вироблення струму, називаються гальванічними елементами.