Якщо два різні метали занурити в розчин електроліту, то між ними виникає електрична напруга (різниця потенціалів). Таку систему називають гальванічний елемент, або гальванічний ланцюг.

Метал 1 | Розчин електроліту | Метал 2

Замість  металів в гальваному ланцюгу можна використовувати і інші речовини з металевою провідністю, наприклад графіт (вугільний електрод).

Різниця потенціалів, яка виникає між двома металевими електродами пояснюється різною схильністю металів віддавати катіони в розчин електроліту. На поверхні кожного з електродів виникає подвійний електролітичний шар, який протидіє подальшому переходу катіонів в розчин. Якщо обидва метали з’єднати металевим електропровідником, в наслідок електропровідності розчину електроліту (іонна електропровідність) утворюється замкнутий електричний ланцюг.

В наведеному ланцюгу потік електронів буде переміщуватись від менш благородного металу через зовнішню частину ланцюга (металевий провідник) до більш благородного металу. При цьому в розчині електроліту катіони будуть рухатись до благородного металу і розряджатися під дією наявних в ньому електронів. В результаті в замкненому гальванічному ланцюгу виникне електричний струм.

Електрохімічні процеси, що знаходяться в основі функціонування гальванічних елементів, схематично можна представить так:

Анод (-): Неблагородний метал; Окиснення (віддача електронів, утворення катіонів).

Катод (+): Благородний метал; Відновлення (прийом електронів, розряд катіонів).

Приклад.

Гальванічний елемент Даніеля-Якобі складається із цинкового електрода – цинкова пластина, занурена у розчин цинк(ІІ) сульфату, та мідного електрода – мідна пластина, занурена в розчин купрум(II) сульфату:

Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu

Таким чином, даний елемент являє собою електрохімічну систему:

Метал 1| Розчин електроліту 1 || Розчин електроліту 2 | Метал 2

В цьому гальванічному елементі протікають наступні електродні процеси:

Анод (-): Zn⁰ – 2е^– = Zn²⁺ (окиснення)

Катод (+): Cu²⁺ + 2е^– = Cu⁰ (відновлення)

Сумарна окисно-відновна реакція

Zn⁰ + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu⁰

Кожний гальванічний елемент складається з двох електродів (окисно-відновна пара), один з яких є донором електронів, а другий акцептором електронів. При цьому на одному електроді виникає надлишок електронів (цинк), а на другому нестача електронів (мідь).

Електрод з надлишком електронів називають негативним полюсом гальванічного елемента, або анодом

Електрод з нестачею електронів-позитивним полюсом, або катодом

Негативним полюсом гальванічного елемента є менш благородний метал, на якому виникає надлишок електронів.

Позитивним полюсом гальванічного елемента є більш благородний метал, на якому виникає нестача електронів.

Електрони по зовнішній ділянці ланцюга, тобто по металевому провіднику переходять від негативного до позитивного полюсу гальванічного елемента.

Наприклад.

В гальванічному елементі з цинковим і свинцевим електродами негативним полюсом буде цинк (Е⁰ = -0,763 В), а позитивним полюсом свинець (E⁰ = -0,126 В). Стандартний потенціал плюмбуму більш позитивний ніж цинку.

Напруга гальванічного елемента тим більша, чим більше відрізняються між собою значення стандартного потенціалу електродів.

Напругу, яку показує вольтметр, підключений до полюсів гальванічного елемента, називають напруга на клемах. Ця напруга внаслідок наявності внутрішнього опору джерела напруги менше істинної напруги, яку називають електрорушійною силою, скорочено е.р.с (позначається як E е.р.с.). Електрорушійна сила гальванічного елемента може бути розрахована, виходячи із значення стандартних потенціалів обох пар Мⁿ⁺/M⁰, але може бути і експериментально визначена за допомогою компенсаційної вимірювальної схеми або за  допомогою вольтметра з нескінченно великим вхідним опором.

При стандартних умовах (25*С, 101,325 кПа, концентрація кожного електроліту 1 моль/дм³) істинна напруга гальванічного елемента дорівнює різниці між стандартним потенціалом позитивного полюса і стандартним потенціалом негативного полюса, тобто

E е.р.с. = E⁰ поз. п – Е⁰ нег. п

Значення E е.р.с. гальванічного елементу дорівнює різниці стандартних потенціалів більш благородного металу і менш благородного металу.

Приклад.

Істинна напруга гальванічного елемента Даніеля-Якобі дорівнює

E е.р.с. = E⁰_Cu – E⁰_Zn = +0,338 – (-0,763) = 1,101 В

Значно більш високу напругу має літієвомідний гальванічний елемент:

E е.р.с. = E⁰_Cu – E⁰_Li = +0,338 – (-3,045) = 3,383 В

Малогабаритні літієві елементи широко використовуються в якості джерел електроживлення для мікрокалькуляторів, електронних наручних годинників та інших електронних пристроїв.

При проходженні електричного струму через замкнутий гальванічний елемент електрод з менш благородного металу руйнується, метал поступово переходить в розчин у формі іонів (електрохімічна корозія). З цієї причини гальванічні елементи мають досить обмежений термін експлуатації.

Дія гальванічних елементів як джерел електричного струму заснованих на хімічній природі електродів і електролітів.

Первинні джерела струму – це гальванічні елементи.

Вторинні джерела струму – це електричні акумулятори.

Електричні акумулятори, на відміну від гальванічних елементів, можна заряджати, підключивши до зовнішнього джерела електричного струму. Тому електричні акумулятори мають істотно більший термін експлуатації.

Найбільшого поширення набули гальванічні елементи Вольта, Даніеля-Якобі і Лекланше.

Гальванічний елемент Вольта складається з мідної та цинкової пластин, занурених в розбавлений розчин сульфатної кислоти. Внаслідок виділення на мідному електроді газоподібного водню (поляризація) елемент Вольта не має постійної напруги. Елемент Вольта був історично першим хімічним джерелом електричного струму, створений італійським фізиком Вольта (1880 рік) у вигляді мідних і цинкових пластин, що чергуються, розділених смужками фетру, змоченого розчином сульфатної кислоти.

Гальванічний елемент Даніеля-Якобі створений в 1836 році англійським вченим Даніелем і вдосконалений в 1938 році фізиком Б.С. Якобі. Він складається з мідної та цинкової пластин, занурених відповідно в розчини CuSO₄ і ZnSO₄. Розчин CuSO₄ знаходиться в пористому керамічному циліндрі (пориста діафрагма), який розміщено в скляну посудину більшого розміру в якому знаходиться розчин ZnSO₄. Рух іонів з одного розчину в інший здійснюється через діафрагму. Напруга на клемах елемента Даніеля-Якобі 1,1 В.

Гальванічний елемент Лекланше, розроблений в 1877 році французьким інженером Ж. Лекланше, використовується і сьогодні в якості сухого гальванічного елемента для живлення кишенькових ліхтарів і електронних пристроїв. В елементі Лекланше реалізується наступний гальванічний ланцюг:

C | NH₄Cl | Zn

Позитивним полюсом є вуглець (графіт), негативним полюсом є цинк (в промислових модифікаціях цього гальванічного елементу, негативним полюсом є стінки судини). Електролітом є желатинізований розчин амоній хлориду. Навколо графітового електроду розміщується дрібно роздроблений манган(IV) оксид MnO₂, який окиснює водень, що виділяється в процесі роботи гальванічного елементу у воду. Напруга на клемах елемента Лекланше становить 1,5 В.

---