Что такое гальванический элемент в химии

Особенности гальванических элементов

Люди довольно часто сталкиваются с электрохимическими элементами в повседневной жизни: от одноразовых батареек АА в пультах дистанционного управления ТВ до литий-ионных батарей в смартфонах. Существует два типа таких ячеек: гальванические и электролитические. Первые получают свою энергию от самопроизвольных окислительно-восстановительных реакций (ОВР), в то время как вторые требуют внешний источник электронов, например, блока питания переменного тока. Оба элемента состоят из анода (А) и катода (К), изготавливаемых из разнородных металлов и электролитов.

Что это такое

В любом электрохимическом процессе электроны переходят из одного вещества в другое, что обусловлено ОВР. Восстановитель представляет собой вещество, которое теряет электроны и в процессе окисляется. Связанная энергия определяется разностью потенциалов между валентными электронами в атомах различных элементов.

Гальванический элемент — это устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую, используя электрохимию, а в быту называется батареей.

В такой ячейке есть контейнер, в котором содержится раствор концентрированного сульфата меди (CuSO4), а внутри раствора вставлен медный стержень — катод. Внутри контейнера находится пористый сосуд, заполненный концентрированной серной кислота (H2SO4), в нее вставлен цинковый стержень — анод. Таким образом, когда провод соединяет медный и цинковый стержни, по нему начинает протекать электрический ток.

Дополнительная информация. Реакции окисления и восстановления разделяются на части, называемые полуреакциями. Внешняя цепь используется для проведения потока электронов между электродами гальванического элемента. Электроды изготавливают из любых проводящих материалов, таких как металлы, полупроводники, графит и даже полимеры.

Источник токов

Существует два типа электрохимических элементов: гальванические и электролитические. Гальваническая клетка использует энергию, выделяемую во время спонтанной окислительно-восстановительной реакции для выработки электроэнергии.

Электролитическая ячейка потребляет энергию от внешнего источника, используя ее, чтобы вызвать непредвиденную окислительно-восстановительную реакцию.

Гальванический элемент, история создания которого официально началась в 18 веке, дал старт развития науки электротехники. Во время проведения экспериментов с электричеством в 1749 году Бенджамин Франклин впервые ввел термин «батарея» для описания связанных конденсаторов. Однако его устройство не стала первой ячейкой. Находки археологов «батареи Багдада» в 1936 году имеют возраст более 2000 лет, хотя точное назначение их до сих пор спорно.

Луиджи Гальвани в честь которого названа гальваническая ячейка, впервые описал «электричество животных» в 1780 году, когда пропускал ток через лягушку. В то время он не знал об этом, но его устройство работало по принципу батареи. Его современник Алессандро Вольта в честь которого названа «вольтовая ячейка» был убежден, что «животное электричество» исходило не от лягушки, а от чего-то другого, он много работал над этим и в 1800 году изобрел первую настоящую батарею — «вольтовую кучу».

В 1836 году Джон Фредерик Даниэль, исследуя способы преодоления проблем вольтовой кучи создал свою ячейку. За этим открытием последовало создание ячейки Уильяма Роберта Гроува в 1844 году. Первая аккумуляторная батарея была изготовлена из свинцово-кислотного элемента в 1859 году компанией Gaston Plante, далее появились гравитационная ячейка Калло в 1860 и ячейка Лекланш Жоржа Лекланша в 1866 году.

До этого момента все батареи были мокрого типа. В 1887 году Карл Гасснер создал первую сухую батарею, изготовленную из углеродно-цинковой батареи. Никель-кадмиевая батарея была представлена в 1899 году Вальдмаром Юнгнером вместе с никель-железной батареей. Однако Юнгнер не смог запатентовать ее и в 1903 году изобретатель Томас Эдисон запатентовал свой слегка измененный дизайн.

Русский ученый-физик Василий Петров в 1802 году соорудил крупнейшую гальваническую батарею в мире, дающую напряжение 1500В. Для сооружения потребовалось около 4200 цилиндров из меди и цинка с диаметром 35.0 мм м толщиной 2.5 мм. Батарея была размещена в ящике из красного дерева, обработанного несколькими слоями различных смол. Опыты Петрова положили начало современной электрометаллургии в дуговых печах.

Обратите внимание! Крупный прорыв в гальваническом направлении источников тока произошел в 1955 году, когда Льюис Урри, сотрудник компании «Energizer», представил общую щелочную батарею. 1970-е годы привели к никель-водородной батарее, а 1980-е годы к никель-металлогидридной батарее.

Литиевые батареи были впервые созданы еще в 1912 году, однако наиболее успешный тип, литий-ионный полимерный аккумулятор, используемый сегодня в большинстве портативных электронных устройств, был выпущен только в 1996 году.

Гальванические элементы классифицируются, как щелочные и нещелочные. Стандартная щелочная сухая батарея имеет цинковый А и К из диоксида марганца. Электролит выполнен в виде некислотной пасты. Обычно электролитом, используемым в щелочных батарейках — есть гидроксид калия. Она выполнена в форме стальной банки, заполненной диоксидом марганца в самой внутренней области К, и заполнена цинком и электролитом в центральной области А. Электролит, окружающий А, запускает химреакцию между ними.

График окислительно-восстановительной реакции

Типичная нещелочная батарея с сухими элементами имеет цинковый А и К из углеродного стержня/ диоксида марганца. Электролит обычно представляет собой кислое пастообразное вещество из смеси хлорида аммония и хлорида цинка. Физически она имеет обратную щелочной батареи конструкцию. Цинковый контейнер служит внешним анодом, тогда как углеродный стержень/ диоксид марганца занимает внутреннюю область в качестве К. Электролит смешивается с К и обеспечивает химическую реакцию между К и А.

Общее мнение специалистов говорит о том, что химически щелочная батарея имеет преимущества по отношению к нещелочной. Хотя последние более надежные и дешевые, тем не менее, щелочные, нужны, когда требуется быстрое, сильнотоковое потребление, например, вспышка на камере с быстрой перезарядкой.

Щелочные батареи

Эта конструкция ячейки получила свое название благодаря использованию щелочных водных растворов в качестве электролитов. Химия щелочных устройств была впервые введена в начале 60-х годов. И сразу стала крупнейшим конкурентом цинк-углеродной ячейки. Эти элементы обладают многими признанными преимуществами по сравнению с цинк-углеродом, включая более высокую плотность энергии, длительный срок хранения, превосходное сопротивление утечке, лучшие характеристики, как в непрерывном, так и в прерывистых рабочих циклах, и более низкое внутреннее сопротивление, что позволяет им работать при высоких скоростях разряда.

Цинк в порошкообразной форме увеличивает площадь поверхности анода, что обеспечивает большее взаимодействие частиц. Это снижает внутреннее сопротивление и увеличивает плотность мощности. Катод, MnO2, произведен синтетически из-за его превосходства над природным MnO2, что дает рост плотности энергии. Как и в цинковой в углеродной ячейке, графит добавляется к катоду для увеличения проводимости.

Электролит КОН, обеспечивает высокую ионную проводимость. Оксид цинка часто включают для замедления коррозии цинкового анода. Производное от целлюлозы и гелеобразующего агента делают щелочной элемент более дорогим, чем цинк-углерод, но более экономичным, особенно в ситуациях с высоким расходом, когда плотность энергии щелочного элемента намного выше.

Существуют и другие конструкции ячеек, которые относятся к категории щелочных, в том числе оксиды ртути, серебра и цинка. Ртуть и серебро дают еще более высокую плотность энергии, но стоят намного дороже и постепенно исключаются требованиями международных организаций из-за их высокой токсичности.

Солевые ячейки

Аккумуляторы с сухими элементами — это устройства, в которых используется электролит с очень низким содержанием влаги. Они контрастируют с батареями с мокрыми элементами, такими как свинцово-кислотные, в которых используется жидкий электролит. Электролит, используемый в большинстве устройств с сухими элементами, является пастой, которая, хотя и содержит влагу, тем не менее остается относительно сухой. Наиболее часто используемые формы сухих элементов — это батареи типа «С», «А», 9 вольт батарейки и для электронных часов.

Важно! Сухих элементы вырабатывают электроэнергию путем преобразования химической энергии в электричество. Выходные данные зависят от типа батареи с сухими элементами. Более популярными являются конструкции с использованием цинка и углерода или цинка и диоксида марганца.

Эти материалы помещаются в пасту электролита внутри батареи. Они реагируют друг с другом посредством химического процесса, в котором электролит, диоксид углерода или марганца реагирует с цинком, создавая электричество.

Литиевые аккумуляторы

Литий-ионная технология включает в себя несколько химических процессов: ионы лития хранятся в аноде или отрицательном электроде, и транспортируются во время разряда к катоду или положительному электроду в органическом электролите.

Наиболее популярными материалами являются графит для анода и оксид металла для катода на основе никеля, марганца и кобальта. Все эти материалы обладают хорошими свойствами интеркалирования лития, что позволяет хранить большое количество энергии.

Литий-ионный элемент

Выбор аккумуляторной технологии зависит от требований эксплуатации по производительности, сроку службы, безопасности и стоимости, причем каждый тип аккумулятора обеспечивает определенные функциональные возможности.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов:

У таких батарей есть один существенный недостаток — им требуется встроенная схема защиты. Кроме того они страдают от старения и могут выдержать 500–1000 циклов зарядки-разрядки.

Устройство гальванического элемента

Гальваническая ячейка представляет собой простое устройство, с помощью которого химическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

Строение гальванического элемента для литиевых батарей:

Обратите внимание! Строение электролита ионный проводник, при этом электронный изолятор, разделяет два электрода и обеспечивает среду для переноса заряда внутри ячейки между анодом и катодом. Электролитом обычно является неводный неорганический растворитель, содержащий растворенную соль лития, например LiPF6 в пропиленкарбонате.

Принцип работы

Литиевая батарея известна как «электронный насос» из-за носителей заряда, перемещающихся между двумя электродами во время зарядки и разрядки. Электрическое (насосное) давление или разность потенциалов между положительной и отрицательной клеммами называется напряжением или электродвижущей силой (ЭДС). Свободная энергия, связанная с переносом электронов вокруг внешней цепи и ионов лития между двумя интеркалирующими электродами, связана с разницей в химическом потенциале лития в двух электродах.

Элементы батареи накапливают энергию химически в своих электроактивных материалах. Эта химическая энергия преобразуется в электрическую энергию по требованию, посредством электрохимической реакции окисления-восстановления.

Аккумуляторная батарейка

Клетки построены в разряженном состоянии. При зарядке положительный электрод, катод, материал окисляется, ионы Li + де-интеркалируются из слоистого интеркалирующего литиевого источника, например LiCoO2, проходят через электролит.

Когда элемент разряжается, на отрицательном электроде происходит реакция окисления, ионы Li + де-интеркалируются из анода и мигрируют через электролит, чтобы быть повторно интеркалированными в материал катода. Одновременная реакция электрохимического восстановления протекает на положительном электроде и принимает электроны из внешнего контура, ионы Li + из электролита, чтобы преобразовать исходный материал. Переход от электронного тока к ионному току происходит на границе раздела электрод/электролит.

Область использования

Электрохимия имеет множество важных применений, особенно в промышленности. Ее процессы используются для изготовления электрических батарей. Они имеют множество применений, включая:

Использование химических реакций для производства электричества в настоящее время является приоритетом для многих исследователей. Возможность адекватно использовать химические реакции в качестве источника энергии в значительной степени поможет решить проблемы загрязнения окружающей среды.

Источник

Гальванический элемент в химии

Гальванический элемент (гэ). Напряжение гальванического элемента

Гальванический элемент — это, прибор, который преобразует химическую энергию окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию.

Схема простейшего ГЭ Даниэля-Якоби представлена на рис. 5.

Гальванический элемент состоит из двух электродов, каждый из которых опущен в сосуд с соответствующим раствором соли: цинковый электрод погружен в раствор соли . Медный электрод погружен в раствор .

Сосуды соединены электролитическим мостиком, заполненным концентрированным раствором электролита (например, или ), который служит ионным проводником между двумя сосудами.

На поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие

В результате протекания этого процесса возникает электродный потенциал цинка. На поверхности медной пластины также возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие

поэтому возникает электродный потенциал меди. Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, поэтому при замыкании внешней цепи, т.е. при соединении цинка с медью металлическим проводником, электроны будут переходит от цинка к меди. В результате перехода электронов от цинка к меди равновесие на цинковом электроде сместиться вправо, поэтому в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. В то же время равновесие на медном электроде сместиться влево и произойдет разряд ионов меди.

Итак, при работе элемента Даниэля-Якоби протекают следующие процессы:

1) реакция окисления цинка

Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых идут процессы окисления, называют анодами;

2) реакция восстановления ионов меди

Процессы восстановления в электрохимии получили название электродных процессов, а электроды, на которых идут процессы восстановления, назвают катодами;

3) движение электронов во внешней цепи;

4) движение ионов в растворе: через электролитический мостик анионов к аноду, катионов к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента. Суммируя электродные реакции, получаем

Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т.е. электрический ток, поэтому суммарная химическая реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей.

При схематической записи, заменяющей рисунок гальванического элемента, границу раздела между проводником 1-го рода и проводником 2-го рода обозначают одной вертикальной чертой, а границу раздела между проводниками 2-го рода — двумя чертами. Схема элемента Даниэля-Якоби, например, записывается в виде:

для упрощения в таких схемах обычно опускается внешняя цепь. Как видно, в гальваническом элементе идет химическая реакция, а во внешней цепи элемента протекает электрический ток, т.е. в гальваническом элементе происходит превращение химической энергии в электрическую.

Электродвижущая сила. Напряжение элемента. Электрическая работа равна произведению разности потенциалов электродов на количество электричества. Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силон (ЭДС) элемента. Она равна разности равновесных потенциалов катода и анода элемента.

= Если на электродах испытывает превращение один моль вещества, то по закону Фарадея через систему протекает количество электричества, равное nF, где n — число молей эквивалентов в одном моле вещества. Таким образом, максимальная электрическая работа гальванического элемента при превращении одного моля вещества равна

где — напряжение гальванического элемента.

В то же время максимальная полезная работа , которую может совершить система при протекании реакции при постоянном давлении, равна энергии Гиббса реакции

Так как , то, приравнивая первые части уравнений получаем

Согласно уравнения Нернста один и тот же электрод при различных концентрациях ионов имеет различное значение потенциала, поэтому возможны так называемые концентрационные ГЭ. Рассмотрим, например, ГЭ, составленный из двух медных электродов, опущенных в электролиты с разными концентрациями ионов .

Положим, что , тогда

Работа в концентрационном ГЭ совершается не за счет реакции окисления восстановления, а за счет выравнивания концентрации растворов. Если концентрация электролитов отличаются в 10 раз, то напряжение (э.д.с.) ГЭ равна 0,0295 в, а если в 100 раз, то — 0,059 в.

Применяются для определения одной из концентраций .

Концентрационная и химическая поляризация электронов.

На медном катоде в замкнутом элементе происходит восстановление ионов меди. При этом концентрация их при электродном слое снижается и тем сильнее, чем больше сила тока. Это затрудняет протекание реакции восстановления, и скорость катодной реакции определяется скоростью диффузии ионов к электроду. Уменьшение концентрации катионов меди по формуле Нернста приводит к уменьшению величины потенциала меди. Цинковый анод растворяется и тем с большей скоростью, чем больше сила тока. Это приводит к накоплению ионов цинка в приэлектродном слое, в результате чего его потенциал смещается по указанной причине в положительную сторону. Электроды в этом случае поляризуются благодаря изменению концентрации ионов у их поверхности. Такая поляризация носит название концентрационный или диффузионный.

В ряде случаев кроме поляризации, при протекании тока имеет место и так называемая химическая поляризация. Для иллюстрации этого явления составим следующую цепь:

В данном случае на платине восстанавливаются не ее ионы, поскольку их нет в растворе, а ионы водорода до атомного водорода, который адсорбируется на платине и частично растворяется в ней, а также превращается в молекулярный водород. Платиновый электрод, таким образом, превратится в водородный, т.е. изменится химическая природа электрода. При этом его потенциал сместится в отрицательную сторону. Иными словами, произойдет химическая поляризация катода, которая, как и концентрационная, приводит к уменьшению напряжения гальванического элемента.

Классификация гальванических элементов

Гальванический элемент состоит из двух электродов: катода (+) и анода (-) и из одного или дух электролитов, разделенных между собой пористой перегородкой, ограничивающей их смешивание. Известны типы гальванических элементов: химические, концентрационные,

окислительно-восстановительные. В гальваническую пару можно сочетать также электроды, принадлежащие к различным видам. При таком сочетании электродов не представляется возможным классифицировать элементы, исходя из природы электродов. Классификация окажется очень громоздкой. Поэтому элементы подразделяют по другим признакам: по особенностям работы, назначению и конструкциям.

Гальванические элементы делят на первичные химические источники тока и вторичные. К первичным относятся вес ранее рассмотренные элементы. Их можно использовать только один раз. После разряда они становятся непригодными к дальнейшей работе.

К вторичным относят аккумуляторы (накопители электричества). Аккумулятор после разряда можно снова зарядить, г.е. превратить продукты реакции путем электролиза в исходные вещества. При этом электрическая энергия превращается в химическую.

Первичные источники тока в свою очередь делят на элементы с жидким электролитом (наливные) и «сухие» (непроливающиеся) элементы с загущенным электролитом. Сухие элементы можно подразделить по признаку катодных деполяризаторов на элементы с твердыми окислителями, воздушной системы и смешанной марганцово-воздушной системы.

Аккумуляторы. Аккумуляторы — обратимые гальванические элементы.

Вещества, из которых изготовляют электроды, и электролиты подобраны в аккумуляторах с таким расчетом, чтобы обратимость химических процессов при электролизе (зарядке) достигалась с минимальной потерей энергии на побочные реакции и в виде теплоты.

Понятно, что медно-цинковый элемент с двумя разделенными пористой перегородкой растворами не пригоден в качестве аккумулятора. Так как происходящие в нем диффузионные процессы необратимы. При этом восстановление ионов цинка до металлического при зарядке будет сопровождаться побочной реакцией восстановления водорода.

Из огромного количества исследованных гальванических элементов удовлетворяют указанным требованиям свинцовый аккумулятор Плантэ, железо-никелевый (кадмиево-никелевый) аккумулятор Эдиссона и серебряно-цинковый аккумулятор Андре.

Свинцовый аккумулятор (рис. 6) был изобретен в результате работ Якоби, Плате и братьев Тюдор. В незаряженном виде он состоит из свинцовых пластин, отлитых в виде решеток. Отверстия отрицательных решеток заполнены пастой из свинцового глета РЬО и воды, а положительных — суриком . Пластины сушат и путем электролиза РЬО превращают губчатый свинец, а — в двуокись свинца . После «формовки током» отрицательные пластины имеют светло-серый цвет, а положительные темно-коричневый. Такие аккумуляторы называют сухозаряженными.

Перед использованием в аккумулятор наливают 30%-ый раствор серной кислоты.

При этом образуется гальваническая цепь:

с напряжением около 2 в (при 18°С в 20%-ый

При разрядке аккумулятора на электродах протекают следующие реакции: на катоде

на аноде

Вещества катода и анода превращаются в сернокислый свинец, а химическая энергия — в электрическую.

При зарядке аккумулятора на электродах протекают следующие реакции:

на катоде

на аноде

Суммируя процессы зарядки и разрядки, получим:

После того как на катоде закончится восстановление катионов свинца до металлического свинца, а на аноде — окисление , при дальнейшем электролизе на электродах наблюдается бурное выделение водорода (на катоде) и кислорода (на аноде). При этом напряжение на зажимах повышается до 2,6 в, что указывает на окончание зарядки аккумулятора и начало электролиза воды. Зарядка ведется так, чтобы температура электролита не повышалась более 40°С.

Емкость свинцового аккумулятора около 35вт/ч (20000 кулонов) на 1 кг веса. Последняя возрастает с повышением концентрации кислоты до некоторого предела; максимум емкости соответствует концентрации кислоты около 30% (плотность 1,224).

Свинцовый аккумулятор отдает около 80% подведенной к нему электроэнергии и дает примерно 4 а/ч на 1 дм2 поверхности пластин. Аккумулятор считают практически разряженным, если его напряжение на зажимах упало на 10% (от 2 в).

В щелочном аккумуляторе Эдиссона электродами служат порошкообразное железо и (гидрат окиси никеля, который частично дегидратируется до ), в качестве электролита берут 21%-ный раствор КОН:

К электролиту часто добавляют гидрат окиси лития , который заметно повышает емкость аккумулятора.

Электроды щелочных аккумуляторов изготавливают в виде пакетов из стальной стали с большим числом отверстий для прохода электролита к действующей массе, закладываемой в пакеты. При сборке пластины изолируют одну от другой эбонитовыми стержнями.

При разрядке на электродах протекают следующие процессы:

на катоде

на аноде

Напряжение щелочного аккумулятора равна 1,33 — 1,40 в.

При зарядке на катоде железо из гидрата закиси восстанавливается до металлического; на аноде окисляется до . Водород на железном катоде при зарядке аккумулятора не восстанавливается благодаря чрезвычайно низкой концентрации ионов водорода в растворе щелочи и значительному перенапряжению водорода на железе.

Суммарно процесс зарядки и разрядки можно изобразить следующим уравнением:

Максимальное напряжение при зарядке щелочного аккумулятора равно 1,8 в, конечное напряжение при разрядке 1 — 1,1 в. К.п.д. у щелочных аккумуляторов меньше, чем у свинцовых. Преимуществом щелочных аккумуляторов является их малый вес, простота ухода за ними, а также то обстоятельство, что случайные короткие замыкания не приносят такого вреда, как свинцовым аккумуляторам. При большой скорости образования сернокислого свинца он полу рыхлым, в результате чего электроды аккумулятора разрушаются.

Срок службы щелочных аккумуляторов в зависимости от электролита составляет 250-750 циклов.

Эта теория взята со страницы помощи по химии:

Возможно эти страницы вам помогут:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник