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.

Обратите внимание

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:

  1. Щелочные.
  2. Солевые.
  3. Литиевые.

 Солевые гальванические элементы

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

Достоинствами солевых батареек являются:

  • Приемлемые электрические параметры для многих областей использования.
  • Удобство применения.
  • Малая цена ввиду небольших расходов на изготовление.
  • Простая технология изготовления.
  • Дешевое и доступное сырье.

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:

  • Малый срок хранения, не более 2-х лет.
  • Резкое падение свойств при снижении температуры.
  • Резкое уменьшение емкости при повышении рабочего тока до эксплуатационных значений современных потребителей.
  • Быстрое уменьшение напряжения во время работы.

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.

Важно

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.

Совет

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

  • Надежная герметизация корпуса. Нельзя допускать утечки электролита и проникновения внутрь других веществ из внешней среды. Нарушение герметичности приводит к их возгоранию, так как литий является высоко активным элементом. Гальванические элементы с нарушенной герметичностью не годятся для эксплуатации.
  • Изготовление должно проходить в герметичных помещениях с аргоновой атмосферой и контролем влажности.

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:

  • Космическая промышленность.
  • Авиационное производство.
  • Оборонная промышленность.
  • Детские игрушки.
  • Медицинская техника.
  • Компьютеры.
  • Фото- и видеокамеры.

Преимущества

  • Широкий интервал рабочих температур.
  • Компактные размеры и масса.
  • Длительная эксплуатация.
  • Стабильные параметры в различных условиях.
  • Большая емкость.

Недостатки

  • Возможность внезапного возгорания при несоблюдении правил пользования.
  • Высокая цена, по сравнению с другими видами батареек.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/galvanicheskie-elementy/

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.

Обратите внимание

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.

Источник: https://electric-220.ru/news/chto_takoe_galvanicheskij_ehlement/2014-07-09-654

Гальванические элементы (стр. 1 из 6)

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

Курсовая работа

по химии

Тема: Гальванические элементы

Выполнил: студент 5 курса

ЕГФ 52 гр. Б2 подгр. Ширшин Н.В.

Принял: Киндеров А.П.

2008г.

План

Введение

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

Читайте также:  Ремонт вытяжки своими руками

V. Регенерация гальванических элементов и батарей

VI. Особенности некоторых видов гальванических элементов и их краткие характеристики

Заключение

Список использованной литературы

Введение

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.

История создания

Вольтов столб

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».

II
.
Принцип действия

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:

Важно

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:

U = Eэ – I(r1–r2) – ΔE,

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.

Совет

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:

(–) Zn|Zn(NH3)2]2+||[MnOOH]|MnO2 (С) (+).

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

Источник: http://MirZnanii.com/a/321369/galvanicheskie-elementy

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].

Zn0 => Zn2+ + 2e-

Cu2+ + 2e- = Cu0

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).

Zn0 => Zn2+ + 2e-

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.

Читайте также:  Конденсат в кондиционере

Источник: http://chemistry-chemists.com/N7_2014/ChemistryAndChemists_7_2014-P8-1.html

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.

Обратите внимание

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

или упрощенно

Me « Men+ + n

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

Система, состоящая из металлического проводника и раствора электролита, в который погружен проводник, называется электродом, а разность потенциалов на границе металл-электролит – электродным потенциалом .

Электродный потенциал зависит от следующих основных факторов:

– природы металла;

– концентрации ионов металла в растворе;

– температуры.

Зависимость величины потенциала от указанных факторов выражается уравнением Нернста:

(1)

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:

(2)

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:

Важно

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:

Zn0 « Zn2+ + 2

Cu0 « Cu2+ + 2

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

Совет

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:

(–) Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu (+)

анод катод

Анодный процесс: А(–): Zn0 – 2 = Zn2+

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

Суммарная

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:

Е = jк – jа.

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.

Обратите внимание

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

Стандартный потенциал цинка равен -0,76 В. Отсюда

Ответ: -0,85 В.

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:

(–) Cd | Cd2+ || Ag+ | Ag (+)

анод катод

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

А(–): Cd0 – 2 = Cd2+ 1

К(+): Ag+ + 1 = Ag0 2

Суммарная

реакция Cd0 + 2Ag+ = Cd2+ + 2Ag0

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

Ответ: 1,21 В.

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

Ответ: 0,02 В.

⇐ Предыдущая24252627282930313233Следующая ⇒

Источник: https://mykonspekts.ru/1-22196.html

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.

Показать решение »

Решение.

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

(-) Mg /  MgSO4  // CuSO4 / Cu (+)

А: Mg0 -2e— = Mg2+

К: Cu2+ +2e— = Cu

Mg0 + Cu2+ = Mg2+ + Cu

Mg + CuSO4 = MgSO4 + Cu

Вычислим ЭДС гальванического элемента:

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

E0Cu2+/Cu = +0,337 В

E0Mg2+/Mg = -2,37 В

ЭДС =0,337 + 2,37 = 2,71 В

Определим энергию химической реакции:

ΔG0298 = -nFE = -2∙96500∙2,71 = — 523030 Дж = — 523 кДж

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?

Показать решение »

Решение.

E02H+/H2 = 0,00 В

E0Pb2+/Pb = -0,126 В

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

А: Pb0 -2e— = Pb2+

К: 2H+ +2e— = H2

Pb0 + 2H+= Pb2+ + H2

Определим электродный потенциал свинца:

E = E° + (0,059/n)lgC

E = -0,126 + (0,059/2)∙lg0,01 = -0,185 В

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.

Показать решение »

Решение.

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

E0Ni2+/Ni = -0,250 В

E0Cu2+/Cu = +0,337 В

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

А: Ni0 -2e— = Ni2+

К: Cu2+ +2e— = Cu0

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.

Показать решение »

Решение.

Важно

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

E0Mg2+/Mg = -2,37 В

E0Pb2+/Pb = -0,126 В

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

А: Mg0 -2e— = Mg2+

К: Pb2+ +2e— = Pb0

Mg0 + Pb2+ = Mg2+ + Pb0

Составим схему гальванического элемента:

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

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

E = E° + (0,059/n)lgC

EMg2+/Mg = -2,37 + (0,059/2)lg0,001 = -2,46 В

EPb2+/Pb = -0,126 + (0,059/2)lg1 = -0,126 В

Рассчитаем стандартную ЭДС реакции

Читайте также:  Как настроить спутниковую антенну самостоятельно

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

ЭДС = -0,126 – (-2,46) = 2,334 В

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.

Показать решение »

Решение.

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

E0Mg2+/Mg = -2,37 В

E0Fe2+/Fe = -0,440 B

E0Co2+/Co = -0,277 B

E0Ag+/Ag = +0,799 B

Протекание реакции возможно при условии, когда E0восст < E0ок.

В нашем случае восстановителем является кобальт и условие E0восст < E0ок соблюдается только для пары

Co – Ag.

Co0 + Ag+ = Co2+ + Ag0

Молекулярное уравнение, например:

Co0 + 2AgNO3 = Co(NO3)2 + 2Ag0

В процессе пластина из кобальта будет растворяться, но одновременно на ее поверхности будет осаждаться серебро.

Из уравнения реакции видно, что при взаимодействии 1 моль кобальта, образуется 2 моль серебра.

Мольная масса кобальта M(Co) = 59 г/моль, мольная масса серебра M(Ag) = 108 г/моль.

Найдем массы металлов:

n = m/M, m = n∙M

m(Co) = 1∙59 = 59 г

m(Ag) = 2∙108 = 216 г.

Совет

Таким образом, масса осажденного серебра больше, чем масса растворенного кобальта, т.е. масса пластины из кобальта увеличится.

В случаях, когда пластина опущена в раствор соли железа или соли магния ее масса не изменится, т.к. кобальт не вытесняет эти металлы из их солей. Т.е. реакции не происходит и масса пластины остается неизменной.

Задача 6. Составьте схему гальванического элемента, уравнения полуреакций анодного и катодного процессов, молекулярное уравнение реакции, проходящей при работе гальванического элемента, анодом которого является никель. Подберите материал для катода. Рассчитайте стандартную ЭДС этого гальванического элемента.

Показать решение »

Решение.

По условию задачи материал анода известен – никель. Электродный потенциал анода всегда имеет более отрицательное значение, т.е. анод состоит из более активного металла, чем катод.

Поэтому нам надо подобрать такой металл, значение потенциала которого, будет иметь большее значение, чем значение электродного потенциала никеля. Например, медь:

E0Ni2+/Ni = -0,250 В

E0Cu2+/Cu = +0,337 В

Составим уравнения полуреакций анодного и катодного процессов и молекулярное уравнение реакции, проходящей при работе гальванического элемента.

А: Ni0 -2e— = Ni2+

К: Cu2+ +2e— = Cu0

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

Источник: 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.

Гальванический элемент

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.

Обратите внимание

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:

Zn — 2е– = Zn2+.

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:

Cu2+ + 2е– = Cu.

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:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu.

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.

Источник: http://abouthist.net/metally-2/galvanicheskij-element.html

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.

Важно

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.

Потенциал цинкового электрода отрицательнее потенциала медного электрода (E / =-0,76В < Е / =+0,34В).

При замыкании внешней цепи, т.е. при соединении цинка с медью металлическим проводником, вследствие разности потенциалов часть электронов с цинковой пластинки перейдёт на медную.

Это нарушит равновесие в двойном электрическом слое у цинка. Обе системы стремятся снова к равновесию за счёт окисления цинка и восстановления катионов меди на медном электроде. Этими процессами сохраняется разность потенциалов пластинок, обеспечивающая постоянный переход электро-

Рис. 61. Схема гальванического элемента Якоби – Даниэля.

нов по проволоке от цинка к меди – электрический ток в цепи.

Во внутреннем участке цепи анионы перемещаются от медного электрода к цинковому, а катионы цинка Zn2+ и меди Сu2+ – в обратном направлении.

Суммарный процесс выражается тем же уравнением реакции Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu, что и при непосредственном взаимодействии окислительно – восстановительных систем Zn2+ / Zn и Cu2+ / Cu0.

Электрический ток в гальваническом элементе возникает за счёт окислительно – восстановительной реакции, протекающей так, что окислительные и восстановительные процессы оказываются пространственно разделёнными: на положительном электроде происходит процесс восстановления, на отрицательном – процесс окисления. Электрод, на котором происходит процесс восстановления, называется катодом (Cu), окисления – анодом (Zn).

Необходимое условие работы гальванического элемента – разность потенциалов электродов, которая называется электродвижущей силой гальванического элемента – ЭДС или ε.

ЭДС элемента считается положительной, если токообразующая реакция в данном направлении протекает самопроизвольно. Положительной ЭДС отвечает и определённая услов-

ность в значении схемы элемента. Она заключается в том, что записанный слева электрод должен быть отрицательным. Например, элемент Даниэля – Якоби схематически изображается так:

(-) Zn |ZnSO4| |CuSO4| Cu (+)

Совет

Двойная черта указывает на то, что диффузионный потенциал между растворами ZnSO4 и CuSO4 устранён. Это достигается применением промежуточного насыщенного раствора KCl или KNO3 с одинаковой подвижностью катионов и анионов. ЭДС элемента определяется разностью электродных потенциалов меди и цинка, т.е. ЭДС = Е / – E /

ЭДС = Е Cu – Zn = 0,34 – (- 0,76) = 1,1 (В), если концентрация ионов цинка и меди равна 1 г – ион / л.

Если на электродах испытывает превращение один г – экв.

вещества, то по закону Фарадея через систему протекает один фарадей электричества, при превращении одного моля вещества – n фарадеев электричества, равное числу грамм – эквивалентов в одном моле вещества. Таким образом, максимальная электрическая работа гальванического элемента при превращении одного моля вещества Aэр равна

Aэр = nFE,

где ЕЭ.Д.С. гальванического элемента.

С другой стороны, максимальная полезная работа Амр, которую может совершить система при протекании реакции (p = const), равна энергии Гиббса реакции:

Aмp = – Δ G

Так как Aэp = Aэр, то получим

Е = – Δ G / nF

Для реакции, протекающей в элементе Даниэля – Якоби

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Изменение свободной энергии в стандартных условиях равно -51,85 ккал (-216946 Дж); подставляя эту величину получим:

Е = – 1,1 В.

Эта величина совпадает с ЭДС, вычисленной по разности стандартных потенциала меди и цинка.

Таким образом, главный критерий возможности самопроизвольного течения реакции в данном направлении – положительное значение вычисленной ЭДС соответствующего элемента.

Прямым измерением разности потенциалов на клеммах гальванического элемента при помощи обычного вольтметра можно получить значение напряжения U, которое не равно ЭДС элемента: U < ЭДС, что обусловлено падением напряжения внутри элемента и другими эффектами.

Поэтому измерение ЭДС обычно проводят компенсационным методом, при котором сила тока, протекающего через элемент, близка к нулю. Для этого к элементу подводят ЭДС с противоположным знаком от внешнего источника тока, значение которой можно регулировать тем или иным способом.

В измерительную цепь включают также гальванометр для регистрации тока и вольтметр для измерения напряжения.

В момент, когда выходное напряжение внешнего источника тока равно ЭДС гальванического элемента (момент компенсации ЭДС), сила тока в цепи равна нулю (стрелка гальванометра не отклоняется). Измеренное в этот момент напряжение на клеммах гальванического элемента равно его ЭДС.

Обратите внимание

Менее точный метод измерения ЭДС может быть использован с помощью высокоомного вольтметра, при измерении которым мала сила тока, протекающего через элемент, поэтому невелика разница между ЭДС и напряжением элемента.

Дата добавления: 2016-12-09; просмотров: 1114; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник: https://poznayka.org/s74429t1.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector