Что такое гальванический элемент

Маломощные источники электрической энергии

Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.

Гальванические элементы — это источники одноразового действия, аккумуляторы — источники многоразового действия.

Простейший гальванические элемент

Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.

Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится электрический ток. По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ — водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.

Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.

Важные параметры гальванических элементов

Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.

Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.

Очень важной характеристикой гальванического элемента является электрическая емкость. Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.

Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).

По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.

Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.

Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.

Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.

Распространенные виды гальванических элементов

Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.

Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.

Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.

Аккумуляторы — это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.

Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.

Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.

От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок. Устройство аккумулятора

В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых — раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые — щелочными.

Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов при электролизе. Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H₂SO₄ = PbSO₄ + Н₂.

Устройство кислотного аккумулятора

Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO₄) превращаются в разнородные (Pb и Р b О ₂ ).

Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным — чистая свинцовая пластина.

К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.

В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.

Как зарядить аккумулятор

Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16

Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Гальванический элемент

Гальванические элементы. Виды и устройство. Работа и особенности

В первых опытах ученых в емкость с кислотой опускали две металлические пластины: медную и цинковую.

Пластины соединяли проводником, после чего на медной пластине появлялись газовые пузырьки, а цинковая пластина стала растворяться. Было доказано, что по проводнику проходит электрический ток.

Это исследование начинал итальянский ученый Гальвани, от него и получили название гальванические элементы.

После этого ученый Вольта разработал цилиндрическую форму этого элемента в виде вертикального столбика, включающего в себя набор колец меди, цинка и сукна, соединенных друг с другом, и пропитанных кислотой. Разработанный Вольтом вертикальный элемент полуметровой высоты вырабатывал напряжение, которое мог почувствовать человек.

Гальванические элементы — это источники электрической энергии, вырабатывающие электрический ток методом химического взаимодействия двух металлов в электролите. Химическая энергия в гальванических элементах преобразуется в электрический ток.

Принцип работы

Действие гальванических элементов основано на том, что два разных металла в среде электролита взаимодействуют между собой, в результате чего во внешней цепи образуется электрический ток.

Такие химические элементы сегодня называют батарейками. Величина напряжения батарейки зависит от применяемых видов металлов и от числа элементов, находящихся в ней. Все устройство батарейки расположено в металлическом цилиндре. Электроды представляют собой металлические сетки с напылением восстановителя и окислителя.

Батарейки не могут восстанавливать утраченные свойства, так как в них осуществляется прямое преобразование химической энергии окислителя и восстановителя в электрическую. Химические реагенты при функционировании батарейки постепенно расходуются, а электрический ток уменьшается.

Отрицательный вывод батарейки выполнен из цинка или лития, он теряет электроны и является восстановителем. Другой положительный вывод играет роль окислителя, его изготавливают из оксида магния или солей металлов.

Состав электролита в обычных условиях не пропускает через себя электрический ток. При замыкании электрической цепи начинается распад электролита на ионы, что обуславливает появление его электрической проводимости.

Электролит состоит чаще всего из раствора кислоты или солей натрия и калия.

Виды и особенности устройства

Батарейки широко используются для питания разных электронных устройств, приборов, цифровой техники и делятся на три вида:

Солевые гальванические элементы

Такие батарейки относятся к марганцево-цинковым элементам питания, и являются наиболее применяемыми в настоящее время.

Достоинствами солевых батареек являются:

Длительное время этот вид батареек является наиболее популярным, благодаря соотношению качества и цены.

Однако в последние годы заводы изготовители уменьшают производство солевых гальванических элементов, и даже отказываются от выпуска, так как требования к источникам питания повышаются производителями электронной техники.

Недостатками солевых батареек являются:

Солевые гальванические элементы в конце своего разряда могут потечь, что связано с вытеканием электролита из-за увеличения объема положительного электрода, который выдавливает электролит. Активная масса плюсового электрода состоит из диоксида марганца и электролита. Сажа и графит, добавленный в активную смесь, повышают электропроводность активной смеси.

Их доля равна от 8 до 20% в зависимости от марки батарейки. Для увеличения срока работы окислителя активную смесь насыщают электролитом.

Минусовой электрод изготавливают из очищенного цинка, устойчивого к коррозии. В нем остается небольшая доля кадмия или свинца, являющегося ингибиторами коррозии. Раньше в батарейках в качестве электролита использовали хлорид аммония.

Он участвует в реакции образования тока, создает проходимость ионов. Но такой электролит не показал хороших результатов, и его заменили хлоридом цинка с примесями хлорида кальция.

Марганцево-кислые элементы работают дольше, и показывают лучшие результаты при пониженных температурах.

В солевых гальванических элементах отрицательным полюсом является цинковый корпус 7. Плюсовой электрод 6 изготовлен из активной прессованной массы, пропитанной электролитом. По центру этой массы находится угольный стержень 5, обработанный парафином для удержания влаги в электролите.

Верхняя часть стержня закрыта металлическим колпаком. В сепараторе 4 находится густой электролит. В газовую камеру 1 поступают газы, образованные при работе батарейки. Сверху батарейку закрывают прокладкой 3.

Весь гальванический элемент заключают в футляр 2, выполненный из картона или фольги.

Щелочные батарейки

Щелочные элементы питания появились в середине прошлого века. В них в качестве окислителя выступает диоксид марганца, а в качестве восстановителя порошковый цинк.

Это дает возможность увеличить поверхность. Для предохранения от коррозии раньше применялось амальгамирование.

Но после запрета на ртуть используют очищенные цинковые порошки с добавлением других металлов и ингибиторов коррозии.

Активным веществом анода щелочной (алкалиновой) батарейки стал очищенный цинк в виде порошка с добавлением алюминия, индия или свинца. Активная смесь катода включает в себя диоксид марганца, ацетиленовую сажу или графит. Электролит алкалиновых батареек состоит из едкого натра или калия с добавлением оксида цинка.

Порошковый анод позволяет значительно повысить использование активной смеси, в отличие от солевых батареек. Алкалиновые батарейки обладают значительно большей емкостью, чем солевые, при равных габаритных размерах. Они хорошо себя показали в работе на морозе.

Особенностью устройства алкалиновых элементов является порошковый цинк, поэтому вместо цинкового стакана используют стальной корпус для положительного вывода. Активная смесь положительного электрода находится возле внутренней стенки стального корпуса. В алкалиновой батарейке есть возможность разместить больше активной смеси положительного электрода, в отличие от солевой.

В активную смесь вставляется целлофановый сепаратор, смоченный электролитом. По центру батарейки проходит латунный отрицательный электрод. Остальной объем между сепаратором и отрицательным токоотводом заполняется анодной пастой в виде порошкового цинка, пропитанного густым электролитом.

Обычно в качестве электролита используют щелочь, насыщенную специальными соединениями цинка. Это дает возможность предотвратить потребление щелочи в начале работы элемента, и снизить коррозию. Масса щелочных батареек выше солевых из-за стального корпуса и большей плотности активной смеси.

По многим основным параметрам алкалиновые гальванические элементы превосходят солевые элементы. Поэтому в настоящее время увеличивается объем производства щелочных батареек.

Литиевые элементы питания

Литиевые гальванические элементы применяются в различных современных устройствах. Они выпускаются различных типоразмеров и видов.

Существуют литиевые батарейки и литиевые аккумуляторы, имеющие между собой большие отличия. Батарейки имеют в составе твердый органический электролит, в отличие от других видов элементов.

Литиевые элементы используются в местах, где требуются средние и малые токи разряда, стабильное рабочее напряжение.

Литиевый аккумулятор можно перезаряжать определенное количество раз, а батарейки не предназначены для этого, и используются только один раз. Их запрещается вскрывать или перезаряжать.

Основные требования к производству

Форма литиевых аккумуляторов бывает цилиндрической, дисковой или призматической.

Габариты практически не отличаются от других видов батареек.

Область использования

Литиевые гальванические элементы обладают более длительным сроком работы, по сравнению с другими элементами. Область применения очень широка:

Преимущества

Недостатки

Похожие темы:

Что такое гальванический элемент

В электротехнике с давних пор используются различные гальванические элементы. Можно сказать, что именно они стояли у истоков научных исследований такого явления, как электричество. Чтобы разобраться в природе электрического тока, необходимо, прежде всего, уяснить, что такое гальванический элемент.

Характеристики

Каждый гальванический элемент является химическим источником тока. Вырабатывание электрической энергии здесь происходит в результате окислительно-восстановительных реакций. Получается прямое преобразование химической энергии в электрический ток.

Стандартный гальванический элемент включает в себя разнородные электроды, в одном из которых содержится окислитель, а в другом – восстановитель. В процессе реакции, оба они вступают в контакт с электролитом.

По сроку действия, элементы могут быть одноразовыми, многоразовыми и непрерывного действия.

Наибольшее распространение получила обыкновенная электрическая батарейка, использующаяся во множестве современных устройств.

Принцип работы

В состав элемента входят два металлических электрода, разнородных по своим физическим свойствам. Как правило, они размещаются в электролите, представляющем собой вязкую или жидкую среду.

Когда электроды соединяются с помощью внешней электрической цепи, начинается течение химической реакции.

В это время начинается движение электронов от одного электрода к другому, благодаря чему и появляется электрический ток.

Отрицательный полюс элемента состоит из электрода, теряющего свои электроны, его материалов служат литий или цинк. В процессе реакции, он исполняет роль восстановителя. Соответственно, другой электрод является окислителем и выполняет функцию положительного полюса. Материалом для него служат окислы магния, реже применяется ртуть или соли металлов.

Сам электролит, где находятся электроды, является веществом, не способным в обычных условиях пропускать электрический ток. Когда электрическая цепь становится замкнутой, начинается распад вещества на ионы, благодаря чему появляется электропроводность. Материалами для электролитов, чаще всего, служат растворенные или расплавленные кислоты, а также соли калия и натрия.

Вся конструкция гальванического элемента размещается в металлической емкости. Электроды выполнены в виде металлических сеточек, куда напыляется окислитель и восстановитель. Со временем, электрохимические реакции становятся слабыми, поскольку запасы окислительных и восстановительных материалов постепенно уменьшаются.

Гальванические элементы (стр. 1 из 6)

«Арзамасский Государственный Педагогический Институт им А. П. Гайдара»

Тема: Гальванические элементы

Выполнил: студент 5 курса

ЕГФ 52 гр. Б2 подгр. Ширшин Н.В.

Принял: Киндеров А.П.

I. История создания химических источников тока

II. Принцип действия

III. Классификация, устройство и принцип действия химических источников тока

1. Гальванический элемент

2. Электрические аккумуляторы

А) Щелочные аккумуляторы

3. Топливный элемент

А) Принцип действия

Б) Принцип разделения потоков топлива и горючего

В) Пример водородно-кислородного топливного элемента

Г) История исследований в России

Д) Применение топливных элементов

Е) Проблемы топливных элементов

IV. Эксплуатация элементов и батарей

V. Регенерация гальванических элементов и батарей

VI. Особенности некоторых видов гальванических элементов и их краткие характеристики

Список использованной литературы

Химические источники тока в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источниках тока. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили.

В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель — железные и никель — кадмиевые. Они применяются в портативных электронных вычислительных машинах (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр.

В силу ряда обстоятельств химические генераторы электрической энергии являются наиболее перспективными. Их преимущества проявляются через такие параметры, как высокий коэффициент выхода энергии; бесшумность и безвредность; возможность использования в любых условиях, в том числе в космосе и под водой, в стационарных и переносных устройствах, на транспорте и т.д.

В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно – важных систем.

Цели и задачи
. В данной работе мне необходимо разобрать принцип действия гальванических элементов, познакомиться с историей их создания, особенностями классификации и устройством различных видов гальванических элементов, а также применением в тех или иных видов химических источников тока в повседневной жизни и различных сферах производства.

I
.
История создания химических источников тока

Химические источники тока (аббр. ХИТ) — устройства, в которых энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая в последствии была названа Вольтовым столбом.

Это изобретение в последствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты.

Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля». В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах. В 1865 году французский химик Ж.

Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

Устройство «багдадских батареек» (200 г. до н. э.).

Основу химических источников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции.

Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются:

в качестве восстановителя (на аноде) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;

в качестве окислителя (на катоде) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;

в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.

III
.
Классификация, устройство и принцип действия

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

1. Гальванический элемент

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани.

Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. Это первичные ХИТ, которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить.

Гальванические элементы являются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, отдаваемой во внешнюю цепь, а также сохраняемостью и экологической безопасностью.

ЭДС определяется природой протекающих в гальваническом элементе процессов. Напряжение гальванического элемента U всегда меньше его ЭДС в силу поляризации электродов и потерь сопротивления:

где Еэ – ЭДС элемента; I – сила тока в режиме работы элемента; r1 и r2 – сопротивление проводников I и II рода внутри гальванического элемента; ΔЕ – поляризация гальванического элемента, складывающаяся из поляризаций его электродов (анода и катода). Поляризация возрастает с увеличением плотности тока (i), определяемой по формуле i = I/S, где S – площадь поперечного сечения электрода, и ростом сопротивления системы.

В процессе работы гальванического элемента его ЭДС и, соответственно, напряжение постепенно снижаются в связи с уменьшением концентрации реагентов и увеличением концентрации продуктов окислительно-восстановительных процессов на электродах (вспомним уравнение Нернста).

Однако чем медленнее снижается напряжение при разряде гальванического элемента, тем больше возможностей его применения на практике. Емкостью элемента называют общее количество электричества Q, которое гальванический элемент способен отдать в процессе работы (при разрядке). Емкость определяется массой запасенных в гальваническом элементе реагентов и степенью их превращения.

При увеличении тока разряда и снижении температуры работы элемента, особенно ниже 00С, степень превращения реагентов и емкость элемента снижаются.

Энергия гальванического элемента равна произведению его емкости на напряжение: ΔН = Q.U. Наибольшей энергией обладают элементы с большим значением ЭДС, малой массой и высокой степенью превращения реагентов.

Сохраняемостью называют продолжительность срока хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных параметрах. С ростом температуры хранения и эксплуатации элемента, его сохраняемость уменьшается.

Состав гальванического элемента
: восстановителями (анодами) в портативных гальванических элементах, как правило, служат цинк Zn, литий Li, магний Mg; окислителями (катодами) – оксиды марганца MnO2, меди CuO, серебра Ag2O, серы SO2, а также соли CuCl2, PbCl2, FeS и кислород О2.

Самым массовым в мире остается производство марганец–цинковых элементов Mn–Zn, широко применяемых для питания радиоаппаратуры, аппаратов связи, магнитофонов, карманных фонариков и т.п. Конструкция такого гальванического элемента представлена на рисунке

Токообразующими реакциями в этом элементе являются
:

— на аноде (–): Zn – 2ē → Zn2+ (на практике происходит постепенное растворение цинковой оболочки корпуса элемента);

— на катоде (+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.

В электролитическом пространстве также идут процессы:

— у анода Zn2+ + 2NH3 →[Zn(NH3)2]2+;

— у катода Mn2O3 + H2O → [Mn2O2(OH)2] или 2[MnOOH].

В молекулярном виде химическую сторону работы гальванического элемента можно представить суммарной реакцией:

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → [Zn(NH3)2]Cl2 + 2[MnOOH].

Схема гальванического элемента:

ЭДС такой системы составляет Е= 1,25 ÷ 1,50В.

Химия и Химики № 7 2014. Гальванический элемент

В растворе цинк заряжен более отрицательно, чем медь. В результате электроны будут переходить от пластинки цинка к меди.

На поверхности меди эти электроны будут соединяться с катионами меди из раствора (медь оседает на электроде), одновременно катионы цинка будут переходить с поверхности металла в раствор.

Анионы (например, сульфата), которые были в сосуде с раствором соли меди, будут переходить по электролитическому мостику в сосуд с солью цинка — чтобы компенсировать избыток катионов в этом сосуде (т.к. катионы цинка переходят из металла в раствор и их количество в растворе растет).

Таким образом, в системе потечет электрический ток: электроны будут двигаться от цинка к меди, а анионы сульфата будут двигаться из сосуда с раствором сульфата меди в сосуд с раствором сульфата цинка. Ток будет течь до тех пор, пока весь цинк не раствориться или все катионы меди из раствора не восстановятся до металлической меди [1].

Такое устройство называется гальванический элемент. Описанный принцип лежит в основе всех химических источников тока (ХИТ) — батареек, аккумуляторов, топливных элементов.

Конструкции и химические реакции, которые лежат в основе работы химических источников тока, могут сильно отличаться, но принцип один:

на одном электроде происходит окисление, на другом — восстановление.

В первом случае ионы или нейтральные молекулы отдают электроны электроду, во втором — отнимают электроны от электрода: в результате между электродами течет электрический ток.

Если электроды состоят из двух разных металлов (меди и цинка, например), то совсем не обязательно они должны быть погружены в растворы солей именно этих металлов (меди и цинка), можно, например, взять раствор кислоты и погрузить в него пластинки меди и цинка.

Более того, два металлических электрода часто находятся не в разных сосудах, а в одном и том же (т.е. их окружает один и тот же раствор). Главное, чтобы катионы из этого раствора забирали электроны с поверхности медной пластинки, поддерживая этим растворение цинка, а значит — и электрический ток в системе (в случае кислоты таким катионом будет катион водорода).

2H+ + 2e- = H20 Оба электрода могут быть сделаны из одинакового металла (например, из меди), но находиться в двух растворах соли (сульфат меди) с разной концентрацией катионов. — В таком гальваническом элементе тоже потечет ток (т.н. концентрационный элемент).

Cu0 => Cu2+ + 2e- (там, где ниже концентрация меди в растворе)

Cu2+ + 2e- = Cu0 (там, где выше концентрация меди в растворе) __________________________________________________

1 Строго говоря, электрический ток будет течь до наступления равновесия в системе: пока потенциалы обеих электродов не сравняются. По мере растворения цинка концентрация его катионов в растворе растет — в результате потенциал цинка становится менее отрицательным (по отношению к меди), а по мере осаждения меди из раствора концентрация ее катионов в растворе уменьшается и потенциал меди становится менее положительным (по отношению к цинку). Теоретически должен наступить момент, когда цинк перестанет растворяться, а медь — осаждаться из раствора — т.к. разница потенциалов станет равной нулю (хотя к тому моменту не весь цинк растворится и не вся медь осядет из раствора). На практике концентрация катионов меди, при которой медь перестанет осаждаться из раствора, а цинк — перестанет растворяться, очень, очень низкая — часто ней можно пренебречь.

Гальванический элемент

⇐ ПредыдущаяСтр 28 из 33Следующая ⇒

Простейшая модель строения металла следующая: в узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы металла, которые прочно связаны подвижными электронами.

При погружении металлической пластины в водный раствор соли этого же металла положительные ионы, находящиеся на поверхности металла, гидратируются и переходят в раствор. В результате этого перехода в кристаллической решетке металла оказывается избыток электронов и пластина приобретает отрицательный заряд.

Между отрицательно заряженной пластиной и положительными ионами в растворе возникает электростатическое притяжение, в результате которого раствор у поверхности пластины приобретает положительный заряд.

Одновременно развивается противоположный процесс: ионы металла из раствора принимают электроны с поверхности пластины и образуют атомы металла, которые становятся частью кристаллической решетки.

Через промежуток времени между металлической пластиной и раствором устанавливается состояние равновесия, при котором скорость перехода ионов из металла в раствор равна скорости разряжения ионов из раствора на поверхности металла:

Me + mH2O « Men+•mH2O + n

Таким образом, при контакте металла с раствором его соли поверхности этих фаз приобретают противоположные заряды – образуется двойной электрический слой и возникает разность потенциалов.

Электродный потенциал зависит от следующих основных факторов:

— концентрации ионов металла в растворе;

Зависимость величины потенциала от указанных факторов выражается уравнением Нернста:

где — стандартный электродный потенциал, В;

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль•К);

Т – абсолютная температура, К;

F – постоянная Фарадея, равная 96500 кл/моль;

n – число электронов, участвующих в электродном процессе;

— молярная концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Если в уравнение (1) подставить значения постоянных R и F, стандартную температуру 298 К и перейти от натурального к десятичному логарифму, получим:

Из уравнения (2) следует, что стандартный потенциал j0 – это потенциал электрода при стандартных условиях: Т=298 К; =1 моль/л.

Измерить абсолютную величину электродного потенциала невозможно, поэтому потенциалы металлов выражают по отношению к стандартному водородному электроду (СВЭ), потенциал которого условно принимается равным нулю:

По отношению к потенциалу стандартного водородного электрода потенциалы различных металлов располагаются в ряд стандартных электродных потенциалов или ряд напряжений (приложение, табл.5).

Чем более отрицательное значение имеет потенциал металла, тем более сильной восстановительной способностью он обладает. И наоборот, чем более положителен потенциал электрода, тем большей окислительной способностью обладают его ионы.

Металлы, стоящие в ряду напряжений левее, вытесняют правее стоящие из растворов их солей.

Металлы, расположенные в ряду напряжений до водорода, вытесняют его из некоторых кислот.

Процессы, протекающие на границе металл-раствор, лежат в основе работы гальванического элемента – устройства для превращения энергии химической окислительно-восстановительной реакции в электрическую.

Гальванический элемент представляет собой электрохимическую систему, состоящую из двух металлических пластин, погруженных в растворы солей собственных ионов. Растворы соединяются солевым мостиком – стеклянной трубкой, заполненной электролитом KCl. Солевой мостик препятствует смешиванию растворов и проводит электрический ток.

Рассмотрим гальванический элемент Даниэля-Якоби, состоящий из медной и цинковой пластин, погруженных в растворы солей CuSO4 и ZnSO4, соответственно. Пока цепь разомкнута, на каждой из пластин устанавливается равновесие:

Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, поэтому при замыкании внешней цепи, т.е.

при соединении электродов металлическим проводником, избыточные электроны будут перемещаться с цинкового электрода на медный. В результате перехода электронов равновесие на цинковой пластине сместится вправо и в раствор перейдут новые количества ионов цинка.

В то же время равновесие на медной пластине сместится влево и на поверхности пластины произойдет разряд ионов меди.

Таким образом, при замыкании цепи возникают самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и осаждение меди на медном электроде.

Движение анионов (SO42–) через солевой мостик замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

В гальваническом элементе электрод, на котором идут процессы окисления, называют анодом, ему присваивают отрицательный заряд (–). Электрод, на поверхности которого идут процессы восстановления катионов металла из раствора, называют катодом и ему присваивают положительный заряд (+).

Гальванический элемент принято изображать в виде схемы:

Анодный процесс: А(–): Zn0 — 2 = Zn2+

Катодный процесс: К(+): Cu2+ + 2 = Cu0

токообразующая Zn0 + Cu2+ = Zn2+ + Cu0

реакция: Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Главной характеристикой гальванического элемента является электродвижущая сила (э.д.с.) Е, равная разности электродных потенциалов катода и анода:

Если э.д.с. измеряют при стандартных условиях, то ее рассчитывают по стандартным электродным потенциалам. Так, для гальванического элемента Даниэля-Якоби

E0 = j0Cu — j0Zn = 0,34 –(-0,76) = 1,1 В

Если условия отличны от стандартных, то величины электродных потенциалов рассчитывают по уравнениям Нернста.

Гальванический элемент из двух электродов, изготовленных из одного металла, но погруженных в растворы солей этого металла с различной концентрацией называют концентрационным.

Анодом в таком элементе будет пластина в растворе с меньшей концентрацией (С1), катодом – пластина в растворе с более высокой концентрацией (С2). Электродвижущую силу такого элемента рассчитывают по формуле:

Таким образом, концентрация первого раствора С1 будет постепенно увеличиваться, а второго раствора С2 – уменьшаться. Через некоторое время концентрации С1 и С2 станут одинаковыми, а э.д.с. – равной нулю.

Пример 1. Определите электродный потенциал цинка, опущенного в раствор его соли с концентрацией ионов Zn2+ 0,001 моль/л.

Решение. Зависимость электродного потенциала металла от концентрации его ионов выражается уравнением Нернста

Пример 2. Составьте схему, анодный и катодный процессы и вычислите э.д.с. гальванического элемента, образованного серебряной и кадмиевой пластинами, погруженными в растворы с концентрацией ионов =0,1 моль/л и =0,005 моль/л.

Решение. Схема ГЭ:

Кадмиевый электрод имеет меньшее значение потенциала, чем серебряный, поэтому он будет анодом. Электродные процессы:

реакция Cd0 + 2Ag+ = Cd2+ + 2Ag0

Чтобы определить э.д.с. гальванического элемента, нужно рассчитать потенциалы электродов при данных концентрациях ионов:

Пример 3. Рассчитайте э.д.с. концентрационного гальванического элемента, если железные пластины погружены в раствор соли хлорида железа (III) с концентрацией ионов Fe3+: С1=0,01 моль/л, С2=0,1 моль/л.

Решение. Электродвижущую силу концентрационного гальванического элемента можно рассчитать по формуле

⇐ Предыдущая24252627282930313233Следующая ⇒

Задачи к разделу Электродные процессы, Гальванический элемент

В настоящем разделе представлены типовые задачи на гальванические элементы: Определение ЭДС гальванического элемента, составление схемы гальванического элемента, определение энергии химической реакции в кДж.

Задача 1. Вычислите значение э.д.с. гальванического элемента:

(-) Mg / MgSO4 // CuSO4 / Cu (+)

Напишите процессы на аноде и катоде, реакцию, генерирующую ток, и определите в кДж энергию химической реакции, превращающуюся в электрическую.

Решение.

Дана схема гальванического элемента, из которой видно, что анодом является магний, а катодом — медь

(-) Mg / MgSO4 // CuSO4 / Cu (+)

Mg + CuSO4 = MgSO4 + Cu

Вычислим ЭДС гальванического элемента:

ЭДС = E0кат — E0ан = E0Cu2+/Cu — E0Mg2+/Mg

ЭДС =0,337 + 2,37 = 2,71 В

Определим энергию химической реакции:

Задача 2. Рассчитайте ЭДС гальванического элемента, составленного из стандартного водородного электрода и свинцового электрода, погруженного в 0,01 М раствор PbCl2. На каком электроде идёт процесс окисления, а на каком — восстановление?

Решение.

В данной паре потенциал свинца имеет более отрицательное значение, поэтому анодом является свинец:

Определим электродный потенциал свинца:

Вычислим ЭДС гальванического элемента:

ЭДС = E0кат — E0ан = E02H+/H2 — E0Pb2+/Pb

ЭДС = 0 + 0,185 = 0,185 В

Задача 3. По уравнению токообразующей реакции составьте схему гальванического элемента:

Ni + СuSO4 = NiSO4 + Cu Напишите уравнения анодного и катодного процессов. Рассчитайте стандартную ЭДС.

Решение.

Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E0Ni2+/Ni и E0Cu2+/Cu

В данной паре потенциал никеля имеет более отрицательное значение, поэтому анодом является никель:

Ni0 + Cu2+ = Ni2+ + Cu0

Ni0 + CuSO4 = NiSO4 + Cu0

Составим схему гальванического элемента:

(-) Ni0|NiSO4 || CuSO4|Cu0 (+)

Рассчитаем стандартную ЭДС реакции:

ЭДС = E0кат — E0ан = E0Cu2+/Cu — E0Ni2+/Ni

ЭДС = 0,337 – (- 0,250) = 0,587 В

Задача 4. Составьте схему гальванического элемента из магния и свинца, погруженных в растворы их солей с концентрацией ионов:

[Mg2+] = 0,001 моль/л, [Pb2+] = 1 моль/л. Напишите уравнения реакций, протекающих на катоде и аноде. Рассчитайте стандартную ЭДС этого элемента.

Решение.

Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E0Mg2+/Mg и E0Pb2+/Pb

В данной паре потенциал магния имеет более отрицательное значение и является анодом:

Mg0 + Pb2+ = Mg2+ + Pb0

Составим схему гальванического элемента:

(-) Mg0|Mg2+ || Pb2+|Pb0 (+)

Применяя уравнение Нернста, найдем EPb2+/Pb и EMg2+/Mg заданной концентрации:

Рассчитаем стандартную ЭДС реакции

ЭДС = Eкат — Eан = EPb2+/Pb — EMg2+/Mg

Задача 5. Как изменится (увеличится, уменьшится) или останется постоянной масса пластины из кобальта, погруженной в раствор, содержащий соли Fe (II), Mg, Ag (I). Напишите молекулярные уравнения реакций.

Решение.

Пользуясь таблицей стандартных электродных потенциалов, найдем E0Mg2+/Mg, E0Co2+/Co, E0Fe2+/Fe, E0Ag+/Ag

Протекание реакции возможно при условии, когда E0восст http://zadachi-po-khimii.ru/obshaya-himiya/zadachi-k-razdelu-elektrodnye-processy-galvanicheskij-element.html

Гальванический элемент

Кроме электролиза, возможен еще один вариант протекания окислительно- восстановительной реакции. В этом случае электроны от восстановителя к окис­лителю переходят по металлическому проводнику через внешнюю электрическую цепь.

В результате во внешней цепи возникает электрический ток, и такое устрой­ство называют гальваническим элементом. Гальванические элементы являются химическими источниками тока — устройствами для прямого преобразования химической энергии в электрическую, минуя другие ее формы.

Гальванические элементы на основе различных металлов и их соединений на­шли широкое практическое применение как химические источники тока.

В гальваническом элементе химическая энергия преобразуется в электриче­скую.

Простейший гальванический элемент представляет собой два сосуда с рас­творами CuSO4 и ZnSO4, в которые погружены соответственно медная и цинковая пластинки.

Сосуды соединены между собой трубкой, которая называется солевым мостиком, заполненной раствором электролита (например, KCl). Такая система на­зывается медно-цинковым гальваническим элементом.

Схематически процессы, протекающие в медно-цинковом гальваническом эле­менте или же, другими словами, схема гальванического элемента, представлена на рисунке ниже.

Схема гальванического элемента

На аноде протекает процесс окисления цинка:

В результате этого атомы цинка превращаются в ионы, которые переходят в раствор, а цинковый анод растворяется, и его масса уменьшается. Обратите вни­мание, что анод в гальваническом элементе является отрицательным электродом (за счет электронов, полученных от атомов цинка) в отличие от процесса элек­тролиза, где он подключается к положительном полюсу внешней батареи.

Электроны от атомов цинка по внешней электрической цепи (металлическому проводнику) движутся к катоду, где протекает процесс восстановления ионов меди из раствора ее соли:

В результате этого образуются атомы меди, которые осаждаются на поверх­ности катода, и его масса увеличивается. Катодом в гальваническом элементе яв­ляется положительно заряженный электрод.

Суммарное уравнение реакции, протекающей в медно-цинковом гальваниче­ском элементе, можно представить так:

Фактически протекает реакция замещения меди цинком в ее соли. Эту же ре­акцию можно осуществить и иным способом — погрузить цинковую пластинку в раствор CuSO4. При этом образуются те же самые продукты — медь и ионы цин­ка. Но отличие реакции в медно-цинковом гальваническом элементе в том, что про­цессы отдачи и присоединения электронов пространственно разделены. Процессы отдачи (окисление) и присоединения (восстановление) электронов происходят не при непосредственном контакте атома Zn с ионом Сu2+, а в разных местах систе­мы — соответственно на аноде и на катоде, которые соединены металлическим про­водником. При таком способе проведения этой реакции электроны перемещаются от анода к катоду по внешней цепи, представляющей собой металлический про­водник. Направленный и упорядоченный поток заряженных частиц (в данном случае электронов) и есть электрический ток. Во внешней цепи гальванического элемента возникает электрический ток.

Гальванические элементы

Гальваническими элементами называются устройства, в которых химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую. Гальванический элемент состоит из 2-х металлических электродов, помещённых в раствор электролитов, т.е. из 2-х полуэлементов.

Рассмотрим работу гальванического элемента, составленного из 2-х полуэлементов Zn2+ / Zn и Cu2+ / Cu, т.е. медная пластина погружена в раствор CuSO4, и цинковая пластина – в ZnSO4. (рис.61).

Для предотвращения прямого воздействия и взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой. На поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие Zn Zn2+ + 2ē.

В результате протекания этого процесса возникает электродный потенциал цинка. На поверхности медной пластины также возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие Cu Cu2+ + 2 ē. В результате возникает электродный потенциал меди.

Источник