Історія відкриття і розвитку хімічних джерел струму

 

 

ЗМІСТ

 

 

 

 

 

ВСТУП

В сучасному світі широко використовуються явище хімічного струму, що описуються за допомогою фізики і хімії. Воно знайшло своє застосування і дало користь для людства. Хімічні джерела струму є рішенням багатьох проблем, а саме, як можна отримувати автономний струм, що отримується з маленьких елементів, відносно дешевий вид отримання струму.

Хімічні джерела струму (ХДС) - пристрої, що дозволяють отримувати електричну енергію за рахунок деякої хімічної реакції. В ХДС перехід хімічної енергії в електричну здійснюється безпосередньо без проміжного утворення теплової та механічної енергії, як це відбувається при використанні хімічної енергії горіння палива під паровими котлами теплових електростанцій або в двигунах внутрішнього згоряння.

На сьогоднішній день поширені акумулятори п'яти різних електрохімічних схем нікель-кадмієві (Ni-Cd), нікель-металогідридні (Ni-MH), свинцево-кислотні (Sealed Lead Acid, SLA), літій-іонні (Li-Ion) і літій-полімерні (Li-Polymer). Визначальним фактором для всіх перерахованих елементів живлення є не тільки портативність (тобто невеликий об'єм і вага), але і висока надійність, а також великий час роботи.

Проблема створення якісних джерел струму актуальна, тому що хімічні джерела струму йдуть в ногу з прогресом. Існування мобільного зв'язку без участі в роботі мобільних телефонів акумуляторних батарей неможливе. Для освоєння космосу необхідні довговічні досконалі джерела електричного струму. Також яскравим прикладом необхідності використання хімічних джерел струму є джерела безперебійного живлення, вони необхідні для коректної роботи комп'ютерних мереж в разі позаштатних ситуацій.

Не аби яку цікавість викликають і нові технології по отриманню струму за допомогою хімічних речовин, зараз дуже актуальні елементи з використанням літію, останніми роками ці елементи дуже добре зарекомендували себе.

Об'єктом дослідження курсової роботи є хімічні джерела струму (ХДС).

Предмет  дослідження – є сучасні хімічні джерела струму та їх застосування.

Метою роботи є розгляд основних типів ХДС, принцип їх роботи, перспективність, а також сфери застосування. В ході дослідження теми курсової роботи  розглянемо  перелік літератури, що описує принципи роботи, недоліки, а також стан науки у галузі створення ХДС.

Перед нами  були поставленні такі завдання:

1. Ознайомитися з історією відкриття і розвитку хімічних джерел  струму;
2. Охарактеризувати основні характеристики хімічних джерел струму;
3. Класифікувати  хімічні джерела струму
4. Виокремити найбільш поширені та перспективні типи хімічних джерел струму.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 1. ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ

1.1.Історія відкриття і розвитку хімічних джерел струму

 

До винаходу гальванічних елементів єдиним джерелом електрики були електричні електростатичні машини. У цих машинах електричний заряд виникає за рахунок тертя. Потім з'явилися індукційні машини, у яких заряди з'являлися на обертовних у протилежні сторони скляних дисках і накопичувалися на двох металевих кулях - розрядниках. Коли напруга на розрядниках перевищує напругу пробою повітря (приблизно 30 кіловольт), проскакує іскра і чутний тріск; аналогічне явище у великому масштабі відбувається і при розряді "дійсної" блискавки. Такі машини дозволяли проробляти деякі досліди (наприклад, за допомогою іскри можна було підпалити ефір), однак вони не могли давати електричний струм протягом хоча б декількох секунд.

У 1745-1746 роках німецький фізик Эвальд Юрген Фон Клейст і голландський фізик Пітер Ван Мушенбрук, що працювали в місті Лейдене, створили простий прилад, що дозволяє зберігати електричний заряд, отриманий від електростатичної машини. Це був прообраз сучасних конденсаторів, що назвали лейденською банкою. Він теж міг давати тільки короткочасний розряд.

Створенню постійних джерел струму сприяло відкриття, зроблене наприкінці XVІІІ ст. італійським професором анатомії Луїджи Гальвані. Гальвані препарував жабу, а неподалік стояла електростатична машина. Коли вістря скальпелю торкнулося стегнових нервів, то, як писав Гальвані, "негайно всі м'язи кінцівок почали так скорочуватися, що здавалися запалими в найсильніші тонічні судороги". Помічник Гальвані помітив, що в цей самий момент між полюсами машини проскочила іскра.

Розкрити природу відкритого Гальвані явища вдалось італійському фізику Алессандро Вольту. Спочатку він узагалі не повірив Гальвані, але, повторивши його досліди, переконався в тім, що явище дійсно існує. Однак досліди з дротом він пояснив зовсім інакше: електрика виникає при контакті різних металів, а жаба - це просто дуже чуттєвий прилад для виміру і до утворення електрики як такого відношення не має. Дослідницьким шляхом Вольт розташував метали в ряд таким чином, що чим далі один від одного вони в цьому ряді, тим більше сильний ефект роблять. Хіміки з подивом знайшли, що в такому ж порядку змінюється і хімічна активність металів. В даний час цей ряд називається рядом напруг металів або електродних потенціалів. В основних рисах він має вид Lі... Mg... Zn... Fe... Sn... H... Cu... Ag... Au.

Вольт, крім жаби, використовував і інші способи виміру, наприклад, власний язик: він клав на нього золоту чи срібну монету, а під язик - мідну. Як тільки дві монети з'єднували шматочком дроту, відразу ж у роті відчувався кислий смак. Щоб підсилити ефект, Вольт з'єднував пари металів послідовно, так що вийшов ланцюжок, названа по імені винахідника "вольтовим стовпом". Спочатку це були чашечки з розчином кислоти, у яку були опущені металеві смужки, потім - кружечки з цинку і міді (чи срібла), розділені прокладками з папера, тканини, що були пропитані розчином лугу або просто розсолом.

Введння в електричний ланцюг розчинів (Вольт назвав їх провідниками другого роду на відміну від металів - провідників першого роду) виявилося вирішальним у винаході Вольта. У пам'ять про Гальвані Вольт назвав свої елементи гальванічними. Незабаром англійський хірург і хімік Ентоні Карлейль виготовив вольтов стовп із 36 послідовно з'єднаних цинкових кружків і монет. У перших дослідах з батареєю спостерігалося розкладання води з утворенням газів.

Відомий англійський хімік Гемфрі Деві виготовив вольтов стовп із мідних і цинкових пластинок, розділених водяним розчином аміаку. Перша його батарея складалася з 60 таких елементів, а через кілька років довів їхню кількість до тисячі. За допомогою цієї батареї він провів знамениті досвіди по виділенню нових елементів - лужних і лужноземельних металів.

Ще більш грандіозну батарею побудував за кілька років до Деві росіянин фізик-самоучка Василь Володимирович Петров. У 1802 році він створив батарею, що складається з 4200 мідних і цинкових пластин. Між металевими кружками прокладалися картонні кружки, просочені розчином хлориду амонію. "Стовп Петрова", на відміну від вольтова стовпа, розташовувався горизонтально в сухих вузьких дерев'яних шухлядках. Уся батарея була складена з чотирьох рядів, кожен довжиною близько 3 м, з'єднаних послідовно мідними дужками. Теоретично така батарея може давати напругу до 2500 вольт. За допомогою цієї гігантської батареї Петров провів безліч дослідів: він розкладав різні речовини, у тому числі органічні, а також оксиди металів - ртуті, свинцю й олова. У 1803 Петров вперше у світі одержав електричну дугу і вказав на можливість її практичного застосування; так, з її допомогою йому вдалося розплавити метали, яскраво висвітлювати великі приміщення.

Протягом XІХ ст. працями фізиків і хіміків була закладена теорія роботи гальванічних елементів; основна заслуга в цьому належить німецькому фізико-хіміку Вальтерові Нернсту. Конструкція елементів також була значно удосконалена. Головний підсумок роботи теоретиків такий: у гальванічному елементі відбувається пряме перетворення хімічної енергії в електричну. Для цього в елементі повинна протікати окислювально-відновна реакція, наприклад, розчинення цинку в кислому середовищі:

Zn + 2H+ = Zn2+ + H2.

Атоми цинку (відновники) віддають електрони:

Zn - 2e = Zn2+,

а іони водню (окислювачі) їхній приймають:

2H+ + 2e = H2.

У гальванічному елементі процеси окислення і відновлення просторово розділені: водень повинний виділятися не на цинку, а на міді. Тоді електрони від цинку до міді будуть переходити не безпосередньо в розчині (у цьому випадку вони губляться без користі), а через зовнішній ланцюг, де можуть робити корисну роботу. Саме так працює елемент Вольта.

В елементі Вольта навіть при незамкнутому зовнішньому ланцюзі все-таки йде окисно-відновна реакція на межі цинк-кислота (катодами слугують домішки в цинку). Тому це джерело струму на практиці не застосовується. Крім того, що виділяються на мідному електроді і прилипають до нього пухирці водню сильно заважають роботі елемента. На цю обставину в 1836 звернув увагу Джон Фредерік Даніель - британський хімік і метеоролог (він винайшов також вимірник вологості - гігрометр). У його конструкції цинковий електрод занурений у розчин цинкового купоросу (сульфату цинку), а мідний - у розчин мідного купоросу (сульфату міді).

Гальванічний елемент Даніеля-Якобі

Схема гальванічного елемента Даніеля-Якобі наведена на мал.1. Він складається з мідної пластини, зануреної в розчин CuS04, і цинкової пластини, зануреної в розчин ZnS04. Для запобігання прямої взаємодії окислювача і відновника електроди відокремлені один від одного пористою перегородкою. На поверхні Мал. 1 Елемент Даніеля-Якобі цинкової пластини виникає подвійний електричний шар і встановлюється рівновага Zn↔Zn2+ + 2e- . В результаті протікання цього процесу виникає електродний потенціал цинку. На поверхні мідної пластини також виникає подвійний електричний шар і встановлюється рівновага Cu↔Cu2+ + 2e - тому виникає електродний потенціал міді.

Потенціал цинкового електрода має від'ємне значення, ніж потенціал мідного електрода, тому при замиканні зовнішнього ланцюга, тобто при з'єднанні цинку з міддю металевим провідником, електрони будуть переходити від цинку до міді. В результаті переходу електронів від цинку до міді рівновага на цинковому електроді зміститься вправо, тому в розчин перейде додаткова кількість іонів цинку. У той же час рівновага на мідному електроді зміститься вліво і відбудеться розряд іонів міді.

Таким чином, при замиканні зовнішнььго ланцюга виникають мимовільні процеси розчинення цинку на цинковому електроді та виділення міді на мідному електроді. Дані процеси будуть тривати до тих пір, поки не зрівняються потенціали електродів або не розчиниться весь цинк.

Отже, при роботі елемента Даніеля - Якобі протікають наступні процеси:

1) реакція окислення цинку Zn - 2e-↔Zn2+ Процеси окислення в електрохімії отримали назву анодних процесів, а електроди, на яких відбуваються процеси окиснення, називають анодами;

2) реакція відновлення  іонів міді Cu2+ + 2e-→Cu. Процеси відновлення в електрохімії отримали назву катодних процесів, а електроди, на яких йдуть процеси відновлення, називають катодом;

3) рух електронів у зовнішній ланцюг;

4) рух іонів в розчині: аніонів (SO42-) до анода, катіонів (Cu2+, Zn2+) до катода. Рух іонів в розчині замикає електричний ланцюг гальванічного елемента. Підсумовуючи електродні реакції, отримуємо:

Zn + Cu2+= Cu+Zn2+

Внаслідок хімічної реакції в гальванічному елементі виникає рух електронів у зовнішній ланцюга і іонів всередині елемента, тобто електричний струм, тому сумарна хімічна реакція, що протікає в гальванічному елементі, називається струмоутворююча..

Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu

Дія гальванічного елементу припиняється після повного чи часткового використання якогось електроду (наприклад, цинку). Тому що хімічна реакція, що протікає в елементі, не оборотня, його не можна знову "зарядити". Електрорушійна сила елемента (ЕРС) не залежить від розмірів і конструкції електродів, від кількості електроліту, але залежить від природи хімічної реакції, що протікає, від складу і концентрації електроліту.

Значно удосконалив гальванічний елемент і зробив його зручним для практичного використання французький інженер Жорж Лекланше в 1867. Як деполяризатор він використовував діоксид марганцю, що на катоді відновлюється, перешкоджаючи виділенню газоподібного водню:

MnО2 + 4H+ + 2e = Mn2+ + 2H2O

Спочатку електролітом служив водяний розчин хлориду амонію; потім Лекланше став використовувати електроліт, загущений клейстером. Винахід Лекланше мав негайний комерційний успіх, а сам винахідник, закинувши свою основну професію, відкрив фабрику по виробництву елементів.

Якщо хімічне джерело струму зроблене якісно і не робить роботи (не включений ні в який електричний ланцюг), то напруга на ньому може не мінятися буквально століттями. Так, електричний дзвоник, що зберігається в музеї фізичних приладів Кларендонської фізичної лабораторії в Оксфорді, без усякої чи підзарядки зміни батареї, справно (і безупинно) працює від батареї гальванічних елементів уже понад півтора століття.

На відміну від гальванічних елементів, в акумуляторі використовуються оборотні хімічні реакції. Так, при розряді найпоширенішого свинцевого акумулятора йде реакція

PbО2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O;

у нікель-кадмієвому:  2NіOOH + Cd = 2Nі(OH)2 + Cd(OH)2                                (аналогічна реакція йде в нікель-залізному акумуляторі);

у срібно-цинковому:  Ag2O + Zn = Zn + 2Ag;

при заряді всі ці реакції йдуть у зворотному напрямку. Тому акумулятор можна заряджати за допомогою зовнішнього джерела струму.

У 1970 р. почались дослідження нового типу акумуляторів - нікель-гідридних, а в 80-і роки з'явилися перші робочі зразки, у яких струм генерувався в результаті реакції 2NіOOH + H2= 2Nі(OH)2. При заряді водень знову виділявся. Тому що водень для таких акумуляторів знаходиться під великим тиском, блок з електродами поміщають у сталевий циліндр. Ці акумулятори запасали на 40% більше енергії (на одиницю маси), ніж нікель-кадмієві. Через високу вартість ці акумулятори застосовували тільки в космічній техніці. В останні роки розроблені мініатюрні метал-гідридні акумулятори; у них при заряді катіони водню в електроліті відновлюються, атоми водню дифундують у метал  і утворюється гідрид. При розряді процес йде в зворотному напрямку. Перевагу таких акумуляторів може оцінити кожен власник мобільного телефону.

Подальше удосконалення свинцевих акумуляторів пов'язано з роботами Фора, почав в 1881 р. наносити на свинцеві пластини пасту з оксидів свинцю, і Фолькнера, у 1884 р. замінив свинцеві гладкі пластини свинцевими гратами.

У Росії перші акумулятори були виготовлені в Мінному офіцерському класі в Кронштадті в 1884 р. під керівництвом Η. Ф. Йорданського і Є. П. Тверитинова. До Великої  Жовтневої  соціалістичної  революції промисловість ХДС в Росії була представлена переважно дрібними підприємствами, більші з яких належали іноземним фірмам. Після Великої Жовтневої соціалістичної революції виробництво ХДС довелося створювати заново і воно перетворилося у велику, добре розвинену галузь промисловості.

В останні десятиліття інтенсивні роботи ведуться по створенню й удосконаленню паливних елементів - пристроїв, що виробляють електроенергію за рахунок хімічної реакції між речовинами, що безупинно подаються до електродів ззовні. Окислювачем найчастіше слугує кисень, а паливом може бути, наприклад, водень. На базі таких елементів уже працюють дослідні електростанції.

 

 

 

1.2.Загальні характеристики хімічних джерел струму

 

Будь-який електрохімічний елемент у принципі є джерелом електричного струму. Однак для практичного використання як джерела струму придатна лише незначна частина цих елементів. Це пов’язано з тим, що елемент повинен мати досить велику електричну ємність, високу швидкість і оборотність електрохімічних процесів, стабільність при експлуатації, технологічність і економічність виробництва.

Хімічні джерела струму (ХДС) - є перетворювачами хімічної енергії в електричну. Під час роботи (розряду) в них відбувається хімічна реакція взаємодії двох реагентів. Енергія цієї реакції виділяється у вигляді енергії постійного електричного струму.

Перетворення хімічної енергії в електричну відбувається і в інших установках, наприклад в енергоблоках теплових електростанцій або в дизель-електричних агрегатах. У них енергія горіння палива перетворюється спочатку в теплову енергію, потім в механічну і лише після цього - в електричну енергію. На відміну від такого багатоступінчастого процесу в ХДС енергія перетворюється безпосередньо, одноступінчасто, без проміжного утворення інших видів енергії.

Таким чином, хімічні джерела струму - це пристрій, в якому енергія хімічної реакції безпосередньо перетворюється в електричну енергію.

Для живлення радіоелектронних пристроїв на транзисторах необхідна постійна напруга. Якщо радіоелектронний пристрій споживає маленьку потужність, то такий пристрій досить часто живлять від хімічного джерела струму. Хімічні джерела струму поділяються на первинні та вторинні. До первинних джерел струму відносяться різні гальванічні елементи і батареї, складені з них. Вторинні джерела струму - це акумулятори.

Розглянемо основні параметри первинних джерел струму.

Електрорушійна сила характеризує роботу сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду від негативного полюса до позитивного всередині джерела. ЕРС вимірюється на затискачах джерела при нескінченно великому опорі зовнішнього ланцюга (безпосереднім підключенням вольтметра до затискачів джерела).

Напруга на затискачах елемента або батареї вимірюється під навантаженням. Розрізняють початкову, середню і кінцева напруга. Кінцеве напруга - це напруга, до якого може розряджатися джерело струму при його експлуатації.

Внутрішній опір джерела струму визначає падіння напруги всередині нього. Чим менше внутрішній опір джерела струму, тим більшим буде струм розрядки при заданій напрузі на затискачах джерела.

Разрядна ємність джерела - це електричний заряд, який можна отримати від джерела за певних умов його експлуатації. Разрядна ємність залежить від сили струму розряду. Однак з деяким наближенням можна вважати розрядну ємність постійної, що не залежить в певних межах від струму навантаження. Наприклад, батарейка кишенькового ліхтаря має розрядну ємність 0,5 А × год і при струмі розрядки 100 мА працює 5 годин, тоді при струмі розрядки 250 мА батарейка пропрацює 2 години. 

Номінальна розрядна ємність джерела струму - це електричний заряд, який повинен віддати джерело струму безпосередньо при його виготовленні при номінальному режимі розряду (задається або струм розрядки, або опір зовнішнього ланцюга).

Саморазряд джерела струму - це втрата розрядної ємності при розімкнутому зовнішньому ланцюзі (при підвищенні температури навколишнього середовища саморазряд збільшується).

Збереження джерела струму - це час, протягом якого елемент зберігає певну частину номінальної ємності.

Питома ємність джерела струму по масі - це відношення розрядної ємності джерела струму до його маси.

Питома ємність джерела струму за обсягом - це відношення розрядної ємності джерела струму до його об'єму.

Розглянемо основні параметри акумуляторів.

Зарядна ємність акумулятора - це електричний заряд, що проходить через акумулятор при його повній зарядці.

Разрядная ємність акумулятора - це електричний заряд, що віддається акумулятором при його повной розрядці.

Коефіцієнт віддачі по ємності - це відношення розрядної ємності до зарядної.

Термін служби акумулятора - це час роботи, після закінчення якого розрядна ємність акумулятора стане менше певної нормованої величини.

Зарядка малогабаритних акумуляторів і відновлення гальванічних елементів. Зарядка малогабаритних акумуляторів і відновлення гальванічних елементів і батарей зазвичай проводиться струмом, чисельно рівним 0,1 ємності акумулятора або гальванічного елемента, вираженої в А×год.

Є різні способи зарядки акумуляторів:

• Зарядка фіксованим струмом протягом певного часу (зазвичай струмом, чисельно рівним 0,1 ємності, протягом 16 годин);
• Зарядка, що зменшується за величиною струму до певної напруги;
• Зарядка несиметричним струмом;
• Почергова зарядка і розрядка протягом певних проміжків часу.

 

1.3.Електродні потенціали і електрорушійна сила гальванічного елемента

 

Величину електродного потенціалу ɛ розраховують за формулою

ɛ =  ɛ0 +

де ɛ0 – нормальний електродний потенціал, що виникає при зануренні металу в розчин, у якому концентрація іонів металу с дорівнює одному граму-іону.

Гальванічний елемент складається з двох електродів, або двох на півелементів.

 На цинковій  пластинці відбуватиметься процес окислення:

Zn →Zn2+ + 2e-

На мідній пластинці – процес відновлення

Cu2+ + 2e-→Cu

У цілому хімічну реакцію, яка відбувається в мідно – цинковому елементі,  можна записати в іонній  формі:

Zn+ Cu2+  → Zn 2+ + Cu2+

Електрорушійна сила гальванічного елемента реакції дорівнює різниці рівноважних потенціалів електродів:

ЕРС = φк – φа

Де, φк - потенціал позитивного електрода (в елементі катод);                                                φа - потенціал негативного електрода (в елементі анод).

Знайдемо електрорушійну силу

E =  ɛ0 Cu +0,029 lg c Cu2+  -  ɛ0 Zn +0,029 lg c Zn 2+

E =  2,303 (lg k – lg )

Поряд з гальванічними елементами, в яких хімічна енергія перетворюється в електричну, є  елементи, в яких джерелом  виникнення електричної енергії є різниця концентрацій. Такі елементи називаються концентраційними.

Концентраційний елемент складається з двох однакових  металевих  пластинок, занурених  у розчин з різними концентраціями іонів певного металу.

Ag  → Ag+ + e;

Ag+ + e → Ag

Сумарна реакція, яка відбуваеться в елементі,

Ag + AgNO3 → AgNO3 + Ag

Величина електрорушійної сили концентраційного  елемента дорівнює:

E =  lg

Концентраційні елементи використовують у вимірювальній техніці для визначення  активності і концентрації іонів та їх валентностей.

Водневий електрод

Стандартиним електродом, потенціал якого за міжнародною угодою прийнято за нуль, є нормальний водневий електрод, який  відносять до газових електродів.

Газовий електрод являє собою металевий провідник, який контактує з певним газом і з розчинами, що містять у собі іони цього газу. Металевий провідник адсорбує газ, який  бере безпосередню участь  в електродному процесі.

Метал у газовому електроді виконує функцію провідника і водночас функцію каталізатора. Металевий провідник повинен бути  інертним  відносно розчину. Платину звичайно покривають шаром  губчастої  платини, так званою платиновою черню.

 

 

На  електроді відбувається реакція:

2H+ + 2e ↔ H2

Потенціал водневого електрода дорівнює

         ɛ H+ / H2=ɛ0 H+ / H2 + lg CH+

де, CH+ - концентрація іонів водню врозчині;

      ɛ0 H+/H2 -  потенціал нормального водневого  електрода.

Нормальним, або стандартним, водневим електродом називається                  напівелемент, в якому  платиновий провідник, насичений воднем при  тиску 1 атм.

Воднева шкала потенціалів

Для визначення потенціалів електродів за водневою шкалою збирають гальванічний елемент, одним з електродів якого є вимірюваний, а другим - стандартний водневий електрод. Схему такого елемента записують наступним чином: зліва - водневий електрод, праворуч - вимірюваний електрод. Наприклад, схема гальванічного елемента для вимірювання потенціалу цинкового електрода має вигляд:

Н2, Pt | H+|| Zn2+ | Zn,

а схема елемента для вимірювання потенціалу мідного електрода:

H2, Pt | H+ || Cu2+ | Сu

ЕРС елемента дорівнює різниці потенціалів правого  і лівого електродів

А так як потенціал лівого електрода умовно приймається рівним нулю, то ЕРС вимірюваного елемента буде дорівнює потенціалу правого електрода. Таким чином, електродний потенціал за водневої шкалою Е - це ЕРС електрохімічної системи, в якій праворуч розташований даний електрод, а зліва - стандартний водневий електрод.

Зазвичай індекси «п» і «л» при позначенні потенціалів опускаються, і потенціали записуються через φ з індексами вихідних речовин і продуктів реакції, наприклад φZn2+/Zn або φCu2+/Cu.

Відповідно для воднево-цинкового елемента:    

H2, Pt | H+ || Zn2+ | Zn

ЕРС дорівнює:

Е е = φZn2+/Zn+φH+/H2 = φZn2+/Zn

Для мідно-водневого елемента:

Н2, Pt | H+ || Cu2+ | Cu

ЕРС розраховують за рівнянням:

Е е = φCu2+/Cu+φH+/H2 = φCu2+/Cu

ЕРС елемента і відповідно потенціал за водневої шкалою можна визначити або експериментально компенсаційним методом, або термодинамічно за відомим значенням енергії Гіббса струмоутворюючих реакцій. Наприклад, струмоутворюючою реакцією в воднево-цинковому елементі буде:

Zn + H2+ ↔ Zn2+ + H2

За термодинамічним даними можна знайти енергію Гіббса цієї реакції по рівнянню розрахувати ЕРС елемента.

 Потенціали металевих електродів

При зануренні металу в розчин власних іонів встановлюється рівновага        Ме ↔ Меn+ + nе-. При рівновазі швидкість розчинення металу дорівнює швидкості його розряду іонів. Потенціал, який встановлюється на електроді при рівновазі, називається рівноважним потенціалом металу. Для його вимірювання потрібен гальванічний елемент:

H2, Pt | H+ || Men+ | Me

рн = 1 aH+ = 1

Струмоутворюючою в цьому елементі буде реакція:

Меn+ + n/2 Н2 →Ме + nН+

Оскільки φл = 0, ЕРС елемента дорівнює потенціалу електрода за водневої шкалою Eе = EMen+/Me. Оскільки, за умовою, рн = 1 aH+ = 1, то

EMen+/Me = EMen+/Me +

Це рівняння називається рівнянням Нернста. Переходячи з натуральних логарифмів до десятковим і підставляючи в рівняння T = 298 К і відповідні значення R і F, отримуємо:

EMen+/Me = EMen+/Me +

Для розбавлених розчинів, в яких активності мало відрізняються від концентрацій (а ≈ С), в рівнянні активність можна замінити концентрацією. Величина EMen+/Me називається стандартним потенціалом металевого електрода. Значення Е0Men+/Me можна отримати при аМen+ = 1. Тоді              lg аMen+ = 0 і ЕМеn+/ме = Е0Men+/Me, отже, стандартним потенціалом металевого електрода називають потенціал цього електрода в розчині власних іонів з активністю їх, рівної 1.

Стандартні потенціали металевих електродів у водних розчинах наведені в таблиці(дана в додатку), яка є одночасно і рядом стандартних електродних потенціалів. Стандартні електродні потенціали металів вказують на міру відновної здатності атомів металу і міру окисної здатності іонів металу. Чим більш від'ємне значення має потенціал металу, тим більш сильною відновною здатністю він володіє. Наприклад, літій, має найбільш негативний стандартний потенціал, відноситься до найбільш сильних відновників. І навпаки, чим більш позитивний потенціал металевого електрода, тим більш сильною окисною здатністю володіють його іони. З таблиці видно, що найбільш сильним окислювача належать іони золота, платини, паладію, срібла та ртуті.