Что такое гальванический элемент: Гальванический элемент: схема, принцип работы, состав

Содержание

Что такое гальванический элемент | значение термина | техническая информация


гальванический элемент это
химический источник тока; устройство, вырабатывающее электрическую энергию в результате прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительных реакций. Первые гальванические элементы созданы в 19 в. (вольтов столб, 1800 г.; элемент Даниела – Якоби, 1836 г.; элемент Лекланше, 1865 г., и др.). До 60-х гг. 19 в. гальванические элементы были единственными источниками электрического тока для питания электрических приборов и для лабораторных исследований.
Основу гальванического элемента составляют два электрода (один – содержащий окислитель, другой – восстановитель), помещаемые в электролит.
Между электродами в электролите устанавливается разность потенциалов – электродвижущая сила (ЭДС), соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. При замыкании внешней цепи между электродами восстановитель (напр., цинк) на отрицательном электроде окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи (создавая разрядный ток) к положительному электроду (напр., меди, оксиду металла), где участвуют в реакции восстановления окислителя.

Различают гальванические элементы: одноразового использования (первичные элементы, или элементы), в которых вещества, образовавшиеся в процессе разряда, не могут быть превращены в исходные активные вещества; многоразового действия (аккумуляторы электрические), в которых такое превращение возможно; с непрерывной подачей реагентов к электродам (топливные элементы). Электродвижущая сила гальванических элементов от 1 до 1.6 В. Применяются в качестве источников электропитания незначительной мощности.
Зеркальный гальванометр
1 – осветитель; 2 – шкала; 3 – корпус гальванометра; 4 – зеркальце

Источник: Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн. 2006.

Вы знали что это такое?

Гальванические элементы. Аккумуляторы | Частная школа. 8 класс

Конспект по физике для 8 класса «Гальванические элементы. Аккумуляторы». Что представляет собой гальванический элемент. Как устроен аккумулятор.

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике


Гальванические элементы.


Аккумуляторы

Для поддержания тока в проводнике необходимо электрическое поле: на концах проводника нужно постоянно создавать заряды противоположных знаков. На практике такое разделение зарядов обычно осуществляется за счёт химических реакций.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В конце XVIII в. итальянский физик А. Вольта обнаружил, что при взаимодействии металла с кислотой происходит разделение зарядов. При этом металлическая пластинка, опущенная в раствор кислоты, электризуется отрицательно, а раствор — положительно.

Вольта построил первый химический источник тока, получивший название гальванического элемента (в честь другого итальянского учёного — Л. Гальвани).

Элемент Вольты состоит из цинковой и медной пластинок, опущенных в водный раствор серной кислоты. В результате химических реакций цинковая пластинка заряжается отрицательно, а раствор кислоты и медная пластинка — положительно. Внутри элемента образуется электрическое поле.

Если выводы пластин соединить проводником, то электроны под действием электрического поля начнут двигаться по проводнику, создавая в нём электрический ток. Выводы пластин образуют зажимы, которые называются полюсами.

Элемент Вольты как источник электричества является несовершенным — ток в цепи быстро ослабевает. Поэтому на практике большое распространение получили так называемые сухие гальванические элементы.

Элемент состоит из цинкового сосуда, в который помещён мешочек с двуокисью марганца (МnO2), смешанного с углем. В этот мешочек вставлен угольный стержень, который является положительным полюсом элемента. Отрицательным полюсом является вывод от цинкового сосуда. Вместо раствора элемент содержит густую пасту, состоящую из муки, замешанной на нашатыре.

Обычная плоская батарейка для карманного фонаря состоит из трёх гальванических элементов. При этом угольный стерженёк первого элемента соединён с цинковым сосудом второго, а угольный стерженёк второго соединён соответственно с цинковым сосудом третьего элемента.

Все три элемента помещены в картонную коробку, которая сверху залита слоем изолятора (смолой). Две полоски жести, выведенные через слой изолятора, являются полюсами батареи.

АККУМУЛЯТОРЫ

Срок службы всех гальванических элементов зависит от состояния их электродов (цинка и угля) и качества раствора. С течением времени электроды разрушаются, а качество раствора ухудшается.

Значительно более удобными источниками тока являются аккумуляторы — устройства, у которых электроды практически не разрушаются.

Простейший аккумулятор состоит из прочного сосуда (корпуса), в который залит раствор серной кислоты, и двух свинцовых пластин, опущенных в раствор.

Однако в таком состоянии аккумулятор ещё не будет являться источником тока и в нём необходимо накопить заряд. Для зарядки через аккумулятор пропускают ток от другого источника (зарядного устройства). После зарядки аккумулятор становится источником тока.

Кроме свинцовых (кислотных) аккумуляторов, широкое применение получили железно-никелевые (щелочные) аккумуляторы. Каждая из пластин в таком аккумуляторе (одна железная, а другая из окиси никеля) опущена в раствор едкой щёлочи.

В последние десятилетия наряду с традиционными источниками тока стали широко применяться источники, изготовленные на основе химического элемента лития. Эти источники устойчиво работают в широком диапазоне температур и обладают великолепным — порядка 10 лет и более — сроком службы.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Химические источники тока широко применяются в разных областях. Например, аккумуляторы служат для освещения многих транспортных средств, в частности автомобилей, для запуска различных силовых установок, для питания научной аппаратуры и средств связи, устанавливаемых на искусственных спутниках Земли и межпланетных станциях, и т. п.

Широко используемые в настоящее время аккумуляторы для мобильных телефонов — ещё один пример устройств такого типа.

Впечатляет также разнообразие габаритов источников электричества: от миниатюрных батареек для питания ручных часов, лазерных указок, электронных секундомеров и т. д. до мощных аккумуляторных батарей, устанавливаемых на подводных лодках.

Вероятно, первыми гальваническими элементами были найденные при раскопках близ Багдада керамические сосуды, закрытые смоляной пробкой, через которую внутрь сосуда пропущены железные и медные стержни. По оценкам археологов, изготовление этих устройств датируется вторым-третьим тысячелетием до нашей эры. Поразительно и то, что эти устройства «заработали» после того, как в сосуды залили морскую воду.

Луиджи Гальвани (1737—1798) — итальянский врач, один из основателей учения об электричестве, основоположник экспериментальной электрофизиологии.


Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Гальванические элементы. Аккумуляторы».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Просмотров: 4 343

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 И БАТАРЕИ | Основы электроакустики

Гальванический элемент, изобретенный Вольтом (в честь его названа ныне всем известная единица измерения напряжения или электродвижущей силы — вольт), как все гениальное, предельно прост — это просто два электрода, опущенных в баночку с раствором электролита. Работа гальванического элемента основана на возникновении так называемой контактной разности потенциалов между про­водящим ток предметом (электродом) и электролитом. В качестве последнего обычно выступают кислотные, соля­ные или щелочные растворы. Когда электроды изготовлены из разных материалов, то между ними, находящимися в электролите, возникают разные по величине электродвижу­щие силы. Их разность и используется для питания различ­ных радиоэлектронных устройств. Она имеет порядок от долей вольта до нескольких вольт. Упомянутая конструкция, разумеется, давно не при­меняется. Хотя бы потому, что не является герметичной. А между тем раствор электролита (соляной или щелоч­ной) опасен для человека и способен разъедать все, на что он попадает. Современные элементы имеют герметич­ный корпус. Наиболее распространены цилиндрические элементы, но существуют и элементы в прямо­угольных корпусах и таблеточных. Они имеют металли­ческий стаканчик (например, цинковый) — один электрод, и угольный стержень в нем — другой электрод. Стаканчик заполнен пористым веществом, пропитанным электроли­том, и имеет герметичную крышку.

К. сожалению, как только гальванический элемент на­чинает отдавать ток во внешнюю цепь, в нем происхо­дит химическая реакция, ведущая к растворению матери­алов электродов и ослаблению концентрации электролита (его истощению). Это та неизбежная цена, которую прихо­дится платить за преобразование химической энергии в электрическую. Эта реакция медленно идет и при отсут­ствии тока во внешней цепи, что приводит к саморазряду элемента и снижению его емкости по мере хранения.

Как отмечалось, сейчас используются почти исключи­тельно герметичные конструкции гальванических элемен­тов, например, в цилиндрических корпусах (стаканчиках) . К сожалению, абсолютно герметичные элементы используются лишь в технике специального назначения (например, космической или военной). Они очень дороги. Обычные элементы имеют неплохую степень герметич­ности — как правило, утечка электролита из них возможна только после примерно года эксплуатации, а у некоторых элементов даже спустя много лет.

Химические источники тока (ХИТ) в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых ХИТ. 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 ЭВМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр. 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.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА  Гальванические источники тока одноразового действия представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются сухими элементами. Этот термин используется применительно ко всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы.  Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др. Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление — на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи. Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент, работающий за счет энергии приведенной выше реакции между цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала. При работе элемента, т.е. при замкнутой цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением: Zn = Zn2+ + 2e- На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:  Cu2+ + 2e- = Cu  Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакций. Таким образом, при работе гальванического элемента, электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.

  • Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом(цинк).
  • Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом (медь).

В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно- восстановительная реакция. Однако, число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.  В отличие от медно-цинкового элемента, во всех современных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два, а один электролит; такие источники тока значительно удобнее в эксплуатации.

ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Угольно-цинковые элементы  Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму.Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими. Угольно-цинковые элементы «восстанавливаются» в течении перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического «отдыха» срок службы элемента продлевается. Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5…10 Вт/кг) и малый срок хранения. Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

Щелочные элементы  Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом. Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, вследствие чего газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений.

Ртутные элементы Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором щелочи. Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не следует выбрасывать после их полного использования. Они должны поступать на вторичную переработку.

Серебряные элементы Они имеют «серебряные» катоды из Ag2O и AgO.

Литиевые элементы  В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.
Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом по отношению ко всем металлам, литиевые элементы характеризуются наибольшим номинальным напряжением при минимальных габаритах. Ионная проводимость обеспечивается введением в растворители солей, имеющих анионы больших размеров. К недостаткам литиевых элементов следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны.
Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.

Гальванический элемент: особенности и история открытия

Гальванический элемент – это источник электрической энергии, принцип действия основан на химических реакциях. Большинство современных батареек и аккумуляторов подпадает под определение и относится к рассматриваемой категории. Физически гальванический элемент состоит из проводящих электродов, погруженных в одну или две жидкости (электролиты).

Общая информация

Гальванические элементы делятся на первичные и вторичные в соответствии со способностью вырабатывать электрический ток. Оба вида считаются источниками и служат для различных целей. Первые вырабатывают ток в ходе химической реакции, вторые функционируют исключительно после зарядки. Ниже обсудим обе разновидности. По количеству жидкостей различают две группы гальванических элементов:

  1. Ярким примером приборов с единственной жидкостью считаются вольтов столб (1800 год) и элемент Волластона, которым пользовался первоначально Георг Ом в собственных исследованиях. Он состоял из медных пластин, свёрнутых в полые цилиндрической форму поверхности: первая вставлена во вторую. Обе ограждены от соприкосновения при помощи деревянных распорок. Электролитом служит разбавленная серная кислота. В результате происходит удвоение рабочих поверхностей. В ходе реакции образуется сульфат меди с выделением водорода, а цинк окисляется. В батарейках один электрод обычно угольный.

    Источник электрической энергии

  2. В элементах с двумя жидкостями используется электролит с избытком кислорода для погружения электрода, где образуется водород. В результате происходит химическая реакция образования воды, нестабильность тока компенсируется и сглаживается. Первым идею использования источников выдвинул в 1829 году Беккерель. Первоначально для разделения ёмкостей использовался сосуд из слабо обожжённой глины, обладавший хорошей пористостью. Для компенсации выделения водорода на медном электроде допустимо использовать синий купорос.

Непостоянство источников питания с единственной жидкостью заметил Ом, открыв неприемлемость гальванического элемента Волластона для экспериментов по исследованию электричества. Динамика процесса такова, что в начальный момент времени ток велик и вначале растёт, потом за несколько часов падает до среднего значения. Современные аккумуляторы капризны.

История открытия химического электричества

Мало известен факт, что в 1752 году гальваническое электричество упоминалось Иоганном Георгом. Издание Исследование происхождения приятных и неприятных ощущений, выпущенное Берлинской академией наук, даже придавало явлению вполне правильное толкование. Опыт: серебряную и свинцовую пластины соединяли с одного конца, а противоположные с разных сторон прикладывались к языку. На рецепторах наблюдается вкус железного купороса. Читатели уже догадались, описанный способ проверки батареек часто использовали в СССР.

Химическое электричество

Объяснение явления: видимо, имеются некие частицы металла, раздражающие рецепторы языка. Частицы испускаются одной пластиной при соприкосновении. Причём один металл при этом растворяется. Собственно, налицо принцип действия гальванического элемента, где цинковая пластина постепенно исчезает, отдавая энергию химических связей электрическому току. Объяснение сделано за полвека до официального доклада Королевскому обществу Лондона Алессандро Вольта об открытии первого источника питания. Но, как происходит часто с открытиями, к примеру, электромагнитным взаимодействием, опыт остался незамечен широкой научной общественностью и не исследован должным образом.

Добавим, это оказалось связано с недавней отменой преследования за колдовство: немногие решались после печального опыта «ведьм» на изучение непонятных явлений. Иначе обстояло дело с Луиджи Гальвани, с 1775 года работающим на кафедре анатомии в Болонье. Его специализаций считались раздражители нервной системы, но светило оставил значимый след не в области физиологии. Ученик Беккарии активно занимался электричеством. Во второй половине 1780 года, как следует из воспоминаний учёного (1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, том 7, стр. 363), в очередной раз производилось препарирование лягушки (опыты и потом длились долгие годы).

Примечательно, что необычное явление подмечено ассистентом, в точности, как с отклонением стрелки компаса проводом с электрическим током: открытие сделали лишь косвенно связанные с научными исследованиями люди. Наблюдение касалось подергиваний нижних конечностей лягушки. В ходе опыта ассистент задел внутренний бедренный нерв препарируемого животного, ножки дёрнулись. Рядом, на столе стоял электростатический генератор, на приборе проскочила искра. Луиджи Гальвани немедленно загорелся идеей повторить опыт. Что удалось. И опять на машине проскочила искра.

Опыты Луиджи Гальвани

Образовалась параллель связи с электричеством, и Гальвани возжелал узнать, станет ли на лягушку действовать подобным образом гроза. Оказалось, что природные катаклизмы не оказывают заметного воздействия. Лягушки, прикреплённые медными крючками за спинной мозг к железной ограде, дёргались вне зависимости от погодных условий. Опыты не удавалось реализовать со 100-процентной повторяемостью, атмосфера воздействия не оказывала. В итоге Гальвани нашёл сонм пар, составленных из разных металлов, которые при соприкосновении между собой и нервом вызывали подёргивание лапок у лягушки. Сегодня явление объясняют различной степенью электроотрицательности материалов. К примеру, известно, что нельзя алюминиевые пластины клепать медью, металлы составляют гальваническую пару с ярко выраженными свойствами.

Гальвани справедливо заметил, что образуется замкнутая электрическая цепь, предположил, что лягушка содержит животное электричество, разряжаемое подобно лейденской банке. Алессандро Вольта не принял объяснения. Внимательно изучив описание экспериментов, Вольта выдвинул объяснение, что ток возникает при объединении двух металлов, непосредственно или через электролит тела биологического существа. Причина возникновения тока кроется в материалах, а лягушка служит простым индикатором явления. Цитата Вольты из письма, адресованного редактору научного журнала:

Проводники первого рода (твёрдые тела) и второго рода (жидкости) при соприкосновении в некоторой комбинации рождают импульс электричества, сегодня нельзя объяснить причины возникновения явления. Ток течёт по замкнутому контуру и исчезает, если целостность цепи нарушена.

Вольтов столб

Лепту в череду открытий внёс Джованни Фаброни, сообщивший, что при размещении двух пластинок гальванической пары в воду, одна начинает разрушаться. Следовательно, явление имеет отношение к химическим процессам. А Вольта тем временем изобрёл первый источник питания, долгое время служивший для исследования электричества. Учёный постоянно искал способы усиления действия гальванических пар, но не находил. В ходе опытов создана конструкция вольтова столба:

  1. Попарно брались цинковые и медные кружки в плотном соприкосновении друг с другом.
  2. Полученные пары разделялись мокрыми кружками картона и ставились друг над другом.

Легко догадаться, получилось последовательное соединение источников тока, которые суммируясь, усиливали эффект (разность потенциалов). Новый прибор вызывал при прикосновении ощутимый для руки человека удар. Подобно опытам Мушенбрука с лейденской банкой. Однако для повторения эффекта требовалось время. Стало очевидно, что источник энергии имеет химическое происхождение и постепенно возобновляется. Но привыкнуть к понятию нового электричества оказалось непросто. Вольтов столб вёл себя подобно заряженной лейденской банке, но…

Эксперимент Вольта

Вольта организует дополнительный эксперимент. Снабжает каждый из кружков изолирующей ручкой, приводит в соприкосновение на некоторое время, потом размыкает и проводит исследование электроскопом. К тому времени уже стал известен закон Кулона, выясняется, что цинк зарядился положительно, а медь – отрицательно. Первый материал отдал электроны второму. По указанной причине цинковая пластина вольтова столба постепенно разрушается. Для изучение работы назначили комиссию, которой представили доводы Алессандро. Уже тогда путём умозаключений исследователь установил, что напряжение отдельных пар складывается.

Вольта объяснил, что без мокрых кружков, прокладываемых между металлами, конструкция ведёт себя как две пластинки: медная и цинковая. Усиления не происходит. Вольта нашёл первый ряд электроотрицательности: цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро. И если исключить промежуточные металлы между крайними, «движущая сила» не изменяется. Вольта установил, что электричество существует, пока соприкасаются пластины: сила не видна, но легко чувствуется, следовательно, она истинна. Учёный 20 марта 1800 года пишет президенту Королевского общества Лондона сэру Джозефу Бэнксу, к которому обращался впервые и Майкл Фарадей.

Английские исследователи быстро обнаружили: если на верхнюю пластину (медь) капнуть воды, в указанной точке в районе контакта выделяется газ. Они проделали опыт с обоих сторон: провода подходящей цепи заключили в колбы с водой. Газ исследовали. Оказалось, что газ горючий, выделяется лишь с единственной стороны. С противоположной заметно окислилась проволока. Установлено, что первое является водородом, а второе явление происходит вследствие избытка кислорода. Установлено (2 мая 1800 года), что наблюдаемый процесс – разложение воды под действием электрического тока.

Уильям Крукшенк немедленно показал, что аналогичное допустимо проделать с растворами солей металлов, а Волластон окончательно доказал идентичность вольтова столба статическому электричеству. Как выразился учёный: действие слабее, но обладает большей продолжительностью. Мартин Ван Марум и Христиан Генрих Пфафф зарядили от элемента лейденскую банку. А профессор Хампфри Дэви установил, что чистая вода не может служить в этом случае электролитом. Напротив, чем сильнее жидкость способна окислять цинк, тем лучше действует вольтов столб, что вполне согласовывалось с наблюдениями Фаброни.

Кислота намного улучшает работоспособность, ускоряя процесс выработки электричества. В конце концов Дэви создал стройную теорию вольтова столба. Он пояснил, что металлы изначально обладают неким зарядом, при замыкании контактов вызывающим действие элемента. Если электролит способен окислять поверхность донора электронов, слой истощённых атомов постепенно удаляется, открывая новые слои, способные давать электричество.

В 1803 году Риттер собрал столб из чередующихся кружков серебра и мокрого сукна, прообраз первого аккумулятора. Риттер зарядил его от вольтова столба и наблюдал процесс разрядки. Правильное толкование явлению дал Алессандро Вольта. И лишь в 1825 году Огюст де ла Рив доказал, что перенос электричества в растворе осуществляется ионами вещества, наблюдая образование оксида цинка в камере с чистой водой, отделённой от соседней мембраной. Заявление помогло Берцелиусу создать физическую модель, в которой атому электролита представлялись составленными из двух противоположно заряженных полюсов (ионов), способных диссоциировать. В результате получилась стройная картина переноса электричества на расстояние.

Что такое гальванический элемент

Конструкция из трех разных химических веществ, соединенных определенным образом, названа по имени итальянского ученого 18-го века Луиджи Гальвани. Он первым описал явление, при котором такая конструкция — гальванический элемент — вырабатывает электрический ток. А сегодня пользоваться ими любой человек начинает еще с детства, даже об этом не подозревая. Электрические батарейки — наиболее распространенные из современных гальванических элементов.

В общем случае гальванический элемент составляется из двух разнородных металлических электродов, которые помещены в жидкую или вязкую среду — электролит. При соединении электродов через внешнюю электрическую цепь начинается химическая реакция, при которой электроны от одного электрода перетекают в другой, создавая этим электрический ток.

Тот электрод, который теряет электроны, является отрицательным полюсом гальванического элемента и состоит, как правило, из цинка или лития. В электрохимической реакции он является восстановителем, а второй электрод — окислителем. Положительный полюс элемента изготавливается чаще всего из окислов магния, иногда — ртути или солей металлов. Электролит, в который погружены электроды, представляет собой вещество, в обычных условиях не пропускающее электрической ток. Однако при замыкании электрической цепи оно оказывается между двумя полюсами и начинает распадаться на ионы, становясь электропроводным. В качестве электролита обычно используют растворы или расплавы кислот и солей натрия или калия.

Конструктивно современные гальванические элементы представляют собой металлическую емкость, в которую помещены металлические же сеточки, на которые напылены покрытия из окислителя и восстановителя. Сетки заливаются расплавленным электролитом, который после этого загустевает.

Способность гальванического элемента к электрохимической реакции и производству тока утрачивается со временем, так как в процессе работы иссякают запасы окислителя и восстановителя. Это происходит не только тогда, когда электрическая цепь замкнута, но и в результате различных побочных реакций в неработающем элементе. Из-за таких реакций батарейки имеют ограниченный срок хранения и уступают в долговечности аккумуляторам. Но зато они не требуют постоянного обслуживания — зарядки — и значительно более дешевы в производстве. Сегодня в мире их производится порядка десяти миллиардов штук ежегодно.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ: САМОДЕЛЬНАЯ БАТАРЕЯ

Каждому из нас знакомы химические источники тока различных типов и форм. Но как это часто случается, мы редко задумываемся о том, как устроен этот совершенно привычный и обыденный предмет. А между тем, появление первых химических источников тока, положило начало превращению электричества из лабораторной диковинки в нашего повседневного помощника. 

В 1790 г. итальянский физиолог Луиджи Гальвани заметил, что лапка препарированной лягушки дергается, если к ней одновременно прикоснуться двумя инструментами из разных металлов. В то время уже было известно, что мышцы могут сокращаться под действием электрического тока, так, что Гальвани правильно приписал это явление действию электрического тока. Правда, он считал, что электрический ток появляется благодаря каким-то физиологическим процессам в лапке лягушки. 

Правильное объяснение этому явлению смог дать другой итальянский ученый Алессандро Вольта. Он установил, что это явление связано с наличием двух разнородных металлов, соприкасающихся с электролитом, в роли которого выступала кровь лягушки, а сама лапка играла лишь роль чувствительного индикатора электрического тока [1]. Опираясь на свои исследования Вольта в 1799г. создал первый химический источник тока. В этом устройстве Вольта использовал медный и цинковый электроды, погруженные в раствор серной кислоты.

Цинк бурно реагирует с кислотами. В раствор переходят не атомы цинка, а положительные ионы, так что в электроде остается избыток электронов, следовательно, цинковая пластина заряжается отрицательно. Вообще, большинство металлов при погружении в электролит заряжается отрицательно, на поверхности медной пластинки протекает подобный процесс. Но избыток отрицательных зарядов на медном электроде гораздо меньше, а значит, относительно цинкового электрода его потенциал получается более высоким. Если соединить внешним проводником медную и цинковую пластины, то электроны начнут перемещаться с цинковой пластины на медную, т.е. в цепи потечет электрический ток [2].

Электрическое напряжение, возникающее между электродами, зависит от того, из каких металлов изготовлены электроды и от их взаимодействия с электролитом. Напряжение, даваемое элементом, никак не зависит от площади пластин. 

Часто напряжения, даваемого одним гальваническим элементом, недостаточно. Тогда их можно соединять последовательно в батареи.

Вообще изготовить химический источник тока совсем нетрудно: надо поместить в электролит две пластинки из разных металлов [3]. Такие гальванические элементы возникают самопроизвольно. Например, намочил дождь крышу, покрытую оцинкованным железом, на железе наверняка имеются царапины, так, что и железо, и цинк вступили в контакт с водой, которая играет роль электролита. Цинк в такой паре начнёт активно разрушаться, а вот железо не пострадает, пока не разрушится весь цинк. Именно для этого и покрывают железо слоем цинка. 

По той же самой причине скручивать вместе медные и алюминиевые провода, это, мягко говоря, не самая лучшая идея. В месте контакта начнется гальваническая коррозия, которая приведет к росту электрического сопротивления контакта, что в свою очередь приведет к большему выделению тепла и еще более быстрой коррозии. Все вместе это может стать причиной разрушения соединения и даже пожара.

Нагляднее всего можно пронаблюдать гальваническую коррозию на примере контактов железа с цинком и медью в растворе соли. Железные скрепки были надеты на цинковую и медную пластины и погружены в раствор соли. 

Через сутки скрепка, соединенная с медной пластиной, покрылась ржавчиной. В то время, как скрепка, бывшая в контакте с цинком, совершенно не пострадала.

Ученые составили электрохимический ряд напряжений металлов. Чем дальше друг от друга отстоят металлы в этом ряду, тем более высокое напряжение дает гальванический элемент, составленный из этих металлов. Так пара золото – литий теоретически может дать электродвижущую силу (ЭДС) 4,72 В. Но такая пара в водной среде работать не сможет – литий это щелочной металл, легко реагирующий с водой, а золото стоит слишком дорого для подобного применения. 

На практике элемент Вольта обладает рядом серьёзных недостатков.

  1. Во-первых, электролитом ему служит весьма едкая жидкость – раствор серной кислоты. Жидкий электролит всегда представляет собой неудобство или даже опасность. Он может расплескаться, разлиться при повреждении корпуса.
  2. Во-вторых, на медном электроде такого элемента будет выделяться водород. Это явление называется поляризацией. По многим свойствам водород весьма близок к металлам, так что его пузырьки создадут дополнительную ЭДС поляризации, стремящейся вызвать ток противоположного направления [2]. Кроме того, пузырьки газа не пропускают электрический ток, что тоже ведет к ослаблению тока. Поэтому приходится периодически встряхивать сосуд, удаляя пузырьки механически, или вводя в состав электролита специальные деполяризаторы.
  3. В третьих, в процессе работы гальванического элемента Вольта, цинковый электрод постепенно растворяется. Теоретически, когда гальванический элемент не используют, разрушение цинкового электрода должно прекратиться, но поскольку почти всегда в составе цинка есть примеси других металлов, они при соприкосновении с электролитом играют роль второго электрода, образуя короткозамкнутый элемент, что ведет к гальванической коррозии цинкового электрода [2]. Для того, чтобы устранить этот недостаток, приходится использовать сверхчистый цинк или конструктивно предусматривать возможность извлечения цинкового электрода из электролита. Так что когда батарея не используется, электролит из нее следует сливать.

Но для демонстрационных целей всеми этими недостатками можно пренебречь, если заменить серную кислоту более безопасным электролитом.

Изготовление батарейки

При изготовлении демонстрационной батареи гальванических элементов будем использовать стандартную пару – медь и цинк. Медную фольгу можно найти в некоторых трансформаторах. В крайнем случае, можно сделать медный электрод из свернутой в спираль голой медной проволоки [4]. Цинк можно добыть из разрядившихся солевых элементов питания, как правило, в них остается достаточно много металлического цинка даже, когда элемент непригоден к дальнейшему использованию. Вместо раствора кислоты, возьмем 10% раствор поваренной соли. В качестве емкости для электролита взяты пластиковые емкости от витаминов объемом примерно 50-100 мл. 

В качестве контактов использованы винты, которые одновременно закрепляю электроды на крышке. При этом крайне желательно крепить медные электроды латунным винтом. Цинковую пластину можно без проблем крепить стальным винтом. Для герметизации под гайку подложена подходящая по размеру резиновая сантехническая прокладка.

Батарея из трех гальванических элементов позволяет питать светодиод.

Напряжение на одном элементе батареи составляет около 1 В.

Ток, отдаваемый в нагрузку, составляет около 0,23 мА

Такого тока достаточно для свечения светодиода. Однако на фотографии это свечение можно заметить, только если снимать при большой светочувствительности.

Такую батарею можно использовать в школе, например для выполнения лабораторной работы, по определению внутреннего сопротивления источника тока [5].

Литература

  1. Карцев В., Приключения знаменитых уравнений – М.: Просвещение, 2007 г.
  2. Элементарный учебник физики: учеб.пособие. в 3 т. под ред. Г.С.Ландсберга: т.2 Электричество и магнетизм – М.: Физматлит, 2006 г.
  3. Зверев И., Элемент? Элементарно!, «Юный техник» №6 2007 г.
  4. Юрьев П., ХИТ-парад, но отнюдь не музыкальный, «Юный техник» №2 1994 г.
  5. Лекомцев Д., Вокруг обычной батарейки, «Читаем, учимся, играем» №5 2014 г.

Автор материала Denev.

   Форум

   Форум по обсуждению материала ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ: САМОДЕЛЬНАЯ БАТАРЕЯ






МИКРОФОНЫ MEMS

Микрофоны MEMS — новое качество в записи звука. Подробное описание технологии.


Что такое гальванический элемент?

Что означает гальванический элемент?

Гальванический элемент представляет собой электрохимический элемент, использующий перенос электронов в окислительно-восстановительных реакциях для подачи электрического тока. Эта ячейка приводится в действие спонтанной химической реакцией, которая производит электрический ток через внешнюю цепь. Реакции гальванических элементов обеспечивают энергию, которая используется для выполнения работы. По этой причине гальванические элементы обычно используются в качестве аккумуляторов.В реальном мире слово «батарея» стало включать в себя один гальванический элемент, но настоящая батарея состоит из нескольких элементов.

Гальванический элемент состоит как минимум из двух полуэлементов, элемента восстановления и элемента окисления. Химические реакции в двух полуэлементах обеспечивают энергию для работы гальванического элемента. Многие гальванические элементы имеют коммерческое значение. К ним относятся сухие элементы, ртутные элементы, перезаряжаемые никель-кадмиевые батареи, топливные элементы и свинцовые аккумуляторные элементы. Обычный гальванический элемент — это элемент Даниэля.

Corrosionpedia объясняет гальванический элемент

Гальванический элемент представляет собой устройство, в котором используется спонтанная окислительно-восстановительная реакция для преобразования химической энергии в электрическую. Гальванические элементы используют электрическую энергию, полученную в результате переноса электронов в окислительно-восстановительной реакции, для выполнения полезной электрической работы. По сути, гальванический элемент используется для преобразования химической энергии, запасенной в ионах, в электрическую энергию в виде тока.Например, батарея представляет собой набор из одного или нескольких гальванических элементов, используемых для производства и хранения электроэнергии химическим путем.

Ключ к сбору потока электронов состоит в том, чтобы разделить полуреакции окисления и восстановления, соединив их проводом, так что электроны должны течь по этому проводу. Этот поток электронов, называемый током, может быть направлен по цепи, которая может быть частью любого количества электрических устройств, таких как радиоприемники, телевизоры, часы и т. д.

Гальванические элементы также важны для защиты от коррозии.Для изготовления гальванического элемента можно использовать любые два металла. Если два металла находятся в контакте, один металл может быть анодом, а другой катодом, что приводит к гальванической коррозии более анодного металла. Два металла, имеющие разные потенциалы в проводящем электролите, приводят к тому, что более анодный металл обычно подвергается гальванической коррозии. Будет ли металл вести себя как анод или как катод в сочетании с другим металлом в той же среде, обычно можно определить по его относительному положению в гальваническом ряду.Металл, который находится выше в списке, обычно является анодом и, следовательно, подвергается коррозии. Металл, находящийся ниже в списке, будет катодом и, следовательно, не будет подвергаться коррозии. Конечно, это гальваническое действие не будет происходить в условиях разомкнутой цепи; должна быть соединительная цепь.

Гальванические и электролитические элементы

Гальванические и электролитические элементы

В нашем отделении по мониторингу сахарного диабета внедрены электрохимия и электрохимические ячейки.Вы можете просмотреть эту страницу здесь. Электрохимические элементы находятся в цепи , что позволяет передавать через нее электроны. Ячейка включает в себя:

  • анод , электрод, на котором происходит окисление
  • a катод , электрод, на котором происходит восстановление
  • электролит , чтобы обеспечить проводимость ионов внутри раствора в каждой половине элемента
  • a солевой мостик или полупроницаемая мембрана для обеспечения проводимости ионов между полуклетками
  • внешняя цепь , которая соединяет два электрода, включая провода, нагрузку и счетчики

гальванические элементы

Электрохимический элемент, выделяющий энергию, называется гальваническим элементом .Электрохимическая реакция имеет отрицательное значение свободной энергии Гиббса и положительную разность потенциалов ячейки.

Ниже представлен гальванический элемент, в котором реакция между A + и B является экзотермической, с G, равным -10 кДж/моль при стандартных условиях, и значением E 0 , равным 0,10 В.




Водородный электрод и полуреакции

У нас есть таблицы, которые показывают полуреакции восстановления. Как они получены?

Электрохимическая реакция в электрохимической ячейке требует как полуреакции восстановления, так и полуреакции окисления.Вольтметр в цепи показывает общее напряжение ячейки ( E tot = E красный + E ox ). Мы можем определить потенциалы полуячейки, измерив напряжение ячейки, которая включает эту полуячейку вместе со стандартной полуячейкой с известным потенциалом.

Принятым стандартным электродом является водородный электрод. Он состоит из полуэлемента с нереакционноспособным металлическим электродом H 2 (g) при давлении 1 атмосфера и 1 М водного раствора кислоты.

В режиме сокращения:

    2H + + 2E H 2
    E
    E RED = 0,00 V

в режиме окисления:
    H 2 2H + + 2E
    E красный = 0,00 В

Здесь видно, что потенциал полуэлемента, в котором Cu +2 восстанавливается до Cu, равен 0,34 В. Cu +2 + 2e Cu E красный = x окисление H 2 2H + + 2e E бык = 0.00 В нетто Cu +2 + H 2 Cu + 2H + E до = 0,34 В

Электролизеры

В электролитической ячейке происходит эндотермическая химическая реакция. Реакция не является самопроизвольной, поэтому требуется источник питания. Энергия хранится в электрохимической ячейке. Эта энергия может быть высвобождена, когда ячейка работает в гальваническом режиме.

Вверху справа гальванический элемент, который мы видели ранее. Образуются молекулы А и В + и выделяется энергия. Электрод на левой стороне ячейки является катодом, потому что A + восстанавливается до A на этом электроде.

Вверху слева тот же элемент в электролитическом режиме. Источник энергии заставляет реакцию идти в направлении, противоположном самопроизвольному направлению. Сейчас производятся A + и B. Электрод справа является катодом, потому что B + там восстанавливается до B.

Назад Компас Столы Показатель Введение Следующий

Гальванические элементы | Химия по специальности

Результаты обучения

  • Описать функцию гальванического элемента и его компонентов
  • Использование обозначения ячеек для обозначения состава и конструкции гальванических элементов

В качестве демонстрации спонтанного химического изменения на рис. 1 показан результат погружения свернутой в спираль проволоки из меди в водный раствор нитрата серебра.Спонтанно происходит постепенное, но визуально впечатляющее изменение, когда изначально бесцветный раствор становится все более синим, а изначально гладкая медная проволока покрывается пористым серым твердым веществом.

Рис. 1. Медная проволока и водный раствор нитрата серебра (слева) контактируют (в центре) и происходит спонтанный перенос электронов с образованием синего Cu 2+<\sup>(aq) и серого Ag(s) ) (правильно).

Эти наблюдения согласуются с (i) окислением элементарной меди с образованием ионов меди (II), Cu 2+ (водн.) , которые придают раствору синий цвет, и (ii) восстановлением серебра (I) с образованием элементарного серебра, которое осаждается в виде пушистого твердого вещества на поверхности медной проволоки.{-}\longrightarrow \text{2Ag}\left(s\right)\end{массив}[/latex]

Рассмотрим конструкцию устройства, которое содержит все реагенты и продукты окислительно-восстановительной системы, как здесь, но предотвращает физический контакт между реагентами. Таким образом, прямой перенос электронов предотвращается; вместо этого перенос происходит косвенно через внешнюю цепь, которая контактирует с разделенными реагентами. Устройства такого рода обычно называются электрохимическими элементами , а устройства, в которых происходит спонтанная окислительно-восстановительная реакция, называются гальваническими элементами (или гальваническими элементами ).

Гальванический элемент, основанный на спонтанной реакции между медью и серебром(I), изображен на рисунке 2. Ячейка состоит из двух полуэлементов, каждый из которых содержит окислительно-восстановительную сопряженную пару («пару») одного реагента. Показанная слева полуячейка содержит пару Cu(0)/Cu(II) в виде твердой медной фольги и водного раствора нитрата меди. Правая половина ячейки содержит пару Ag(I)/Ag(0) в виде сплошной серебряной фольги и водного раствора нитрата серебра. Внешняя цепь подключена к каждому полуэлементу на его твердой фольге, что означает, что каждая медная и серебряная фольга функционирует как электрод .По определению, анодом электрохимической ячейки является электрод, на котором происходит окисление (в данном случае медная фольга), а катодом является электрод, на котором происходит восстановление (серебряная фольга). Окислительно-восстановительные реакции в гальваническом элементе происходят только на границе между реакционной смесью каждой полуэлемента и его электродом. Чтобы разделить реагенты при сохранении баланса заряда, два раствора полуэлемента соединены трубкой, заполненной раствором инертного электролита, называемой солевым мостиком. Самопроизвольная реакция в этой ячейке приводит к образованию катионов Cu 2+ в анодной полуэлементе и потреблению ионов Ag + в катодной полуэлементе, что приводит к компенсирующему потоку инертных ионов из солевого мостика, который поддерживает баланс заряда.Возрастающие концентрации Cu 2+ в анодной полуячейке уравновешиваются притоком NO 3 из солевого мостика, а приток Na + в катодную полуячейку компенсирует уменьшение Ag +  концентрация.

Рис. 2. Гальванический элемент на основе спонтанной реакции между ионами меди и серебра(I).

Обозначение ячейки

Сокращенный символизм обычно используется для обозначения гальванического элемента, предоставляя важную информацию о его составе и структуре.Эти символические представления называются нотациями ячеек или схемами ячеек, и они написаны в соответствии с несколькими рекомендациями:

  • Соответствующие компоненты каждой полуэлемента представлены их химическими формулами или символами элементов
  • Все интерфейсы между фазами компонентов представлены вертикальными параллельными линиями; если два и более компонента присутствуют в одной фазе, их формулы разделяются запятыми
  • По соглашению схема начинается с анода и продолжается слева направо с указанием фаз и интерфейсов, встречающихся внутри ячейки, и заканчивается катодом

Вербальное описание ячейки с точки зрения от анода до катода часто является полезным первым шагом при написании ее схемы.{2+}\влево(г\вправо)\конец{массив}[/латекс]

В этой ячейке твердый магниевый анод погружен в водный раствор хлорида магния, соединенный солевым мостиком с водным раствором, содержащим смесь хлоридов железа(III) и хлоридов железа(II), в который погружена платиновый катод. Затем схема ячейки записывается как

.

[латекс] \ текст {Mg} \ влево (с \ вправо) \ в середине {0,1 М} {\ текст {MgCl} _ {2}} \ влево (водн. \ вправо) \ параллельно {0,2 М} {\ текст { FeCl}}_{3}\left(aq\right), {0,3 M}{\text{ FeCl}_{2}}\left(aq\right)\mid \text{Pt}\left(s\right )[/латекс]

Обратите внимание, что катодный полуэлемент отличается от других рассмотренных до сих пор тем, что его электрод состоит из вещества (Pt), которое не является ни реагентом, ни продуктом реакции элемента.Это требуется, когда ни один из членов окислительно-восстановительной пары полуэлемента не может разумно функционировать в качестве электрода, который должен быть электропроводным и находиться в фазе, отдельной от раствора полуэлемента. В этом случае оба члена окислительно-восстановительной пары являются растворенными частицами, поэтому Pt используется в качестве инертного электрода, который может просто отдавать или принимать электроны к окислительно-восстановительным частицам в растворе. Электроды, изготовленные из элемента окислительно-восстановительной пары, такого как магниевый анод в этой ячейке, называются активными электродами .

Рис. 3. Гальванический элемент на основе самопроизвольной реакции между ионами магния и железа(III).

 

Вы можете просмотреть стенограмму «Гальванические элементы (гальванические элементы)» здесь (откроется в новом окне).

Пример 1: Написание схемы гальванического элемента

Гальванический элемент изготавливается путем соединения двух полуэлементов солевым мостиком, в одном из которых хромовая проволока погружена в раствор 1 М CrCl 3 , а в другом медная проволока погружена в 1 М раствор CuCl 2 .Предполагая, что хромовая проволока действует как анод, напишите схему этой ячейки вместе с уравнениями для анодной полуреакции, катодной полуреакции и общей реакции ячейки.

Показать решение
Решение

Поскольку хромовая проволока должна быть анодом, схема начинается с нее и продолжается слева направо, символизируя другие компоненты ячейки, и заканчивается катодом из медной проволоки:

[латекс]\текст{Cr}\влево(s\вправо)\mid{1 M}{\text{CrCl}}_{3}\влево(aq\вправо)\parallel{1M} {\text{ CuCl}}_{2}\left(aq\right)\mid\text{ Cu}\left(s\right)[/latex]

Полуреакции для этой клетки составляют

[латекс]\begin{array}{rl}{}\text{анод (окисление):}&\text{Cr}\left(s\right)\longrightarrow {\text{Cr}}^{3+} \left(aq\right)+{\text{3e}}^{-}\\ \text{катод (восстановление):}&{\text{Cu}}^{2+}\left(aq\right) +{\text{2e}}^{-}\longrightarrow\text{Cu}\left(s\right)\end{array}[/latex]

Умножение, чтобы количество электронов, потерянных Cr и полученных Cu 2+  вышло равным

[латекс]\begin{array}{rl}{}\text{анод (окисление):}&2\text{Cr}\left(s\right)\longrightarrow {2\text{Cr}}^{3+ }\left(aq\right)+{\text{6e}}^{-}\\ \text{катод (восстановление):}&{3\text{Cu}}^{2+}\left(aq\ справа) + {\ текст {6e}} ^ {-} \ longrightarrow {3} \ текст {Cu} \ влево (s \ вправо) \ конец {массив} [/ латекс]

Сложение уравнений полуреакции и упрощение дает уравнение для клеточной реакции:

[латекс] 2\текст{Cr}\влево(s\вправо)+3{\text{Cu}}^{2+}\влево(aq\вправо)\longrightarrow{2\text{Cr}}^{ 3+}\left(aq\right)+3\text{Cu}\left(s\right)[/latex]

Проверьте свои знания

Опуская концентрации растворенных веществ и идентификацию ионов-спектаторов, напишите схему гальванического элемента, суммарная реакция которого показана ниже.{2+}\left(aq\right)\mid \text{Pt}\left(s\right)[/latex]

Вы можете просмотреть стенограмму «Гальванический элемент с цинком и медью» здесь (откроется в новом окне).

Ключевые понятия и резюме

Электрохимические элементы обычно состоят из двух полуэлементов. Полуэлементы отделяют полуреакцию окисления от полуреакции восстановления и позволяют току течь по внешнему проводу. Одна полуячейка, обычно изображаемая слева на рисунке, содержит анод.Окисление происходит на аноде. Анод соединен с катодом в другой полуэлементе, часто показанном на рисунке справа. Восстановление происходит на катоде. Добавление соляного моста замыкает цепь, позволяя течь току. Анионы в солевом мостике текут к аноду, а катионы в солевом мостике текут к катоду. Движение этих ионов замыкает цепь и сохраняет электрическую нейтральность каждой полуклетки. Электрохимические ячейки можно описать с помощью обозначения ячеек. В этих обозначениях информация о реакции на аноде появляется слева, а информация о реакции на катоде — справа.Соляной мост представлен двойной линией ‖. Твердая, жидкая или водная фазы внутри полуячейки разделены одной линией |. Фаза и концентрация различных видов указаны после названия вида. Электроды, участвующие в окислительно-восстановительной реакции, называются активными электродами. Электроды, которые не участвуют в окислительно-восстановительной реакции, но предназначены для протекания тока, являются инертными электродами. Инертные электроды часто изготавливают из платины или золота, которые не изменяются в результате многих химических реакций.{2+}\left(aq\right)+\text{2Ag}\left(s\right)[/latex]

  • [латекс]\текст{Mn}\left(s\right)+\text{Sn}\left(\text{NO}_{3}\right)_{2}\left(aq\right)\longrightarrow \text{Mn}\left(\text{NO}_{3}\right)_{2}\left(aq\right)+\text{Au}\left(s\right)[/latex]
  • [латекс]3\текст{CuNO}_{3}\left(aq\right)+\text{Au}\left(\text{NO}_{3}\right)_{3}\left(aq \right)\longrightarrow3\text{Cu}\left(\text{NO}_{3}\right)_{2}\left(aq\right)+\text{Au}\left(s\right)[ /латекс]
  • Учитывая следующие обозначения ячеек, определите окисляемые и восстанавливаемые соединения, а также окислитель и восстановитель, не записывая уравновешенные реакции.{-}\left(aq\right)\text{(базовое решение)}[/latex]
  • Определите окисляющиеся и восстанавливаемые соединения, а также окислитель и восстановитель для всех реакций в предыдущей задаче.
  • На основании предоставленной информации используйте нотацию ячеек для описания следующих систем:
    1. В одной полуячейке раствор Pt(NO 3 ) 2 образует металлическую Pt, а в другой полуячейке металлическая Cu переходит в раствор Cu(NO 3 ) 2 с все концентрации растворенных веществ 1 M .
    2. Катод состоит из золотого электрода в растворе 0,55 M Au(NO 3 ) 3 , а анод представляет собой магниевый электрод в 0,75 M растворе Mg(NO 3 ) 2 9007.
    3. Одна полуячейка состоит из серебряного электрода в растворе 1 М AgNO 3 , а в другой полуэлементе окисляется медный электрод в 1 М Cu(NO 3 ) 2 .
  • Почему солевой мост необходим в гальванических элементах, подобных показанному на рис. 2?
  • Было обнаружено, что активный (металлический) электрод набирает массу по мере протекания окислительно-восстановительной реакции.Был ли электрод частью анода или катода? Объяснять.
  • Было обнаружено, что активный (металлический) электрод теряет массу по мере протекания окислительно-восстановительной реакции. Был ли электрод частью анода или катода? Объяснять.
  • Масса трех различных металлических электродов, каждый из которых был от разного гальванического элемента, была определена до и после того, как ток, генерируемый окислительно-восстановительной реакцией в каждом элементе, пропускали в течение нескольких минут. Было обнаружено, что первый металлический электрод, получивший маркировку А, увеличился в массе; второй металлический электрод, получивший маркировку Б, по массе не изменился; и было обнаружено, что третий металлический электрод, получивший маркировку C, потерял массу.{-}\влево(вода\вправо)[/латекс]
  • 7. Без соляного моста цепь была бы разомкнута (или разорвана), и ток не мог бы течь. При использовании солевого моста каждая полуячейка остается электрически нейтральной, и по цепи может протекать ток.

    9. Активные электроды участвуют в окислительно-восстановительной реакции. Поскольку металлы образуют катионы, электрод потеряет массу, если атомы металла в электроде окислятся и перейдут в раствор. Окисление происходит на аноде.

    Глоссарий

    активный электрод: электрод, участвующий в окислительно-восстановительной реакции электрохимической ячейки; масса активного электрода изменяется при окислительно-восстановительной реакции

    анод: электрод в электрохимической ячейке, на котором происходит окисление; информация об аноде записывается слева от солевого мостика в ячейке с обозначением

    катод: электрод в электрохимической ячейке, на котором происходит восстановление; информация о катоде записывается справа от солевого мостика в ячейке с обозначением

    обозначение ячейки: сокращенный способ представления реакций в электрохимической ячейке

    потенциал ячейки: разность электрических потенциалов, возникающая при соединении разнородных металлов; движущая сила потока заряда (тока) в окислительно-восстановительных реакциях

    гальванический элемент: электрохимический элемент, который включает спонтанную окислительно-восстановительную реакцию; электрохимические ячейки с положительным потенциалом ячейки; также называется гальваническим элементом

    инертный электрод: электрод, пропускающий ток, но не участвующий в окислительно-восстановительной реакции в электрохимической ячейке; масса инертного электрода в ходе окислительно-восстановительной реакции не изменяется; инертные электроды часто изготавливают из платины или золота, потому что эти металлы химически неактивны.

    гальванический элемент: другое название гальванического элемента

    Что это такое и как это работает

    Гальванический элемент представляет собой электрохимический элемент, который получает электрический ток из химической энергии. Это устройство состоит из двух разных металлов, соединенных с помощью солевого мостика или пористого диска, расположенного между каждой половинкой ячейки. Свое название он получил в честь Луиджи Гальвани.

    Гальванический элемент или гальваническая батарея (названная в честь Алессандро Вольта) аналогична гальваническому элементу.Открытия Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта проложили путь к электрическим батареям.

    Гальванический элемент, первый электрический элемент, который может обеспечить электрический потенциал в цепи, получает электрическую энергию в результате химической реакции.

    Как работает гальванический элемент?

    Гальванический элемент состоит из двух электродов, погруженных в емкость с электролитом. Обычно электролит состоит из двух электролитных растворов, которые могут обмениваться ионами через солевой мостик или пористую перегородку.

    Металл гальванического элемента растворяется в электролите с двумя разными скоростями. Металлы при растворении превращаются в положительные ионы, а электроны остаются в нерастворенной части.

    В результате металл, погруженный в раствор электролита, приобретает суммарный отрицательный заряд по мере того, как электролит становится положительно заряженным. Если есть электрическое соединение, поток электронов создает электрический ток.

    Что такое анод и катод?

    Анод – наиболее активный металл, например металлический цинк.Катод — самый неактивный металл, например металлическая медь.

    При этом в электролите возникает равноценный электрический ток, но с положительными ионами. Ионы анода переходят в электролит. Растворенные ионы также переносятся на катод, который является наименее активным металлом.

    Таким образом, анод изнашивается или подвергается коррозии. Когда материал анода полностью израсходован, электрический ток прекращается.

    Металл можно рассматривать как топливо, которое обеспечивает энергией устройство.

    Аналогичный процесс заключается в использовании электролиза. Электрический ток в электролите равен току во внешней цепи. То есть полная электрическая цепь образована как внешним путем электронов, так и той частью электролита, через которую проходят положительные ионы.

    Существует поток электронов от анода, окисленных ионов, к катоду, восстановленным атомам (которые поглощают электроны). Этот поток, создаваемый окислительно-восстановительной (окислительно-восстановительной) реакцией, составляет электрический ток, производимый гальваническим элементом.

    Типы гальванических элементов

    Типов гальванических элементов мы различаем три:

    Концентрационный элемент

    Концентрационный элемент представляет собой первичный элемент (не перезаряжаемый), в котором используются два гальванических полуэлемента с одинаковыми химическими веществами, но с разными концентрациями.

    Например, такая ячейка может состоять из двух медных электродов, погруженных в два раствора, содержащих сульфат меди (CuSO 4 ). Два раствора имеют разные концентрации, а электроды разделены пористой перегородкой или соляным мостиком.

    Аккумулятор разряжается, когда концентрация электролита в двух полуэлементах одинакова.

    Электролитическая ячейка

    Электролитическая ячейка состоит из двух электродов, погруженных в емкость с электролитом. Как правило, электролит состоит из двух электролитных растворов, которые могут обмениваться ионами через солевой мостик или пористую перегородку.

    На аноде происходит реакция окисления. С другой стороны, на катоде протекает реакция восстановления. В результате в клетке происходит окислительно-восстановительная реакция, которая использует для своего производства внешнюю электрическую энергию.

    Знаки полюсов меняются местами по отношению к гальваническому элементу. В электролитической ячейке анод является положительным полюсом, а катод — отрицательным полюсом.

    Электрохимический элемент

    Электрохимический элемент состоит из двух полуэлементов, также называемых полуэлементами.

    Эти полуэлементы разделены полупроницаемой мембраной или содержатся в отдельных контейнерах, соединенных солевым мостиком. Соединяя полуэлементы, полуэлемент высвобождает электроны в результате реакции окисления.В свою очередь, эти электроны передаются другим, чтобы вызвать реакцию восстановления.

    Гальванические элементы и уравнение Нернста

    Учебное пособие по электрохимии: гальванические элементы и уравнение Нернста >> Введение

    Введение


    В этом эксперименте цель состоит в том, чтобы исследовать, как генерировать электрический ток в результате спонтанной окислительно-восстановительной химической реакции. Устройство, в котором химическая энергия превращается в электрическую энергию называется гальваническим элементом .Батареи — это повседневный пример гальванических элементов.

    В этом эксперименте:

      • Мы построим и исследуем несколько гальванических элементов.
      • Мы будем исследовать химические реакции, протекающие в различных гальванических элементах, и измерить потенциалы элементов .
      • Мы изучим электродов , которые можно комбинировать различными способами для формирования множества различных гальванических элементов. Определим потенциал этих ячеек при стандартных условиях .
      • Мы исследуем, как изменяется потенциал гальванического элемента при отклонении от условий, определенных как «стандартные», и используем уравнение Нернста, чтобы предсказать эти изменения.

    Ниже показана экспериментальная стратегия, состоящая из следующих 4 шагов:

      Шаг 1


          Действие : Окуните полоску металла в раствор соли другого металла. Повторите с различными комбинациями металла/соли.
          Результат : Наблюдения свидетельствуют о том, имеет ли место спонтанная реакция. Если реакция наблюдаемых, мы можем использовать наши знания об участвующих химических веществах, чтобы понять химическую реакцию.

      Шаг 2

          Действие: Создайте несколько полуячеек, каждая из которых состоит из металлической полоски (электрода), смоченной в растворе этой соль металла (электродный раствор). Объединяйте различные полуэлементы в пары (гальванические элементы) и пробуйте использовать их для питания секундомера.
          Результат: Мы идентифицируем гальванические элементы, которые обеспечивают достаточное напряжение для питания секундомера.

      Шаг 3

          Действие: Объедините различные полуэлементы в пары (гальванические элементы) и измерьте напряжение различных пар полуэлементов.
          Результат: Создайте ряд электродных потенциалов, расположенных в порядке склонности иона металла к восстановлению.

      Шаг 4

          Действие: Измеряем напряжение ячейки при стандартных условиях (1.0 М концентрация). Изменяем концентрацию одного из полуячейки и наблюдать влияние на напряжение ячейки. Повторяем с различными комбинациями полуклеток.
          Результат: Определяем значения напряжения ячейки в нестандартных условиях.

    На следующих страницах представлены обучающие материалы, которые помогут вам понять и применить некоторые концепции, необходимые для выполнения описанных выше шагов. Нажмите «Далее», чтобы продолжить онлайн-активность.

    гальванических элементов | Блестящая математика и естественные науки вики

    Первичные элементы одноразовые.Реакция в электроде необратима.

    Сухой элемент — это наиболее распространенный тип батарей, используемых для питания небольших бытовых устройств, таких как фонарики, радиоприемники и калькуляторы. Несмотря на свое название, эти элементы изготовлены из пасты на водной основе, содержащей MnO2MnO_{2}MnO2​ и ZnZnZn. Химические реакции, используемые в сухой ячейке, можно модифицировать для работы в кислых или щелочных растворах. Щелочные батареи чаще доступны в продаже.

    Ртутные элементы обычно меньше по размеру и основаны на другой химической реакции, чем сухие батареи.Эти батареи полезны в камерах, слуховых аппаратах и ​​подобных устройствах, для которых требуются маленькие и надежные батареи. Батареи с ртутными элементами часто дороже, чем щелочные батареи, и, поскольку они содержат тяжелый металл, они могут представлять опасность для окружающей среды в случае их вскрытия или неправильной утилизации.

    Общая реакция для ртутного элемента выглядит следующим образом: Zn(s)+HgO(s)→Hg(l)+ZnO(s)Zn(s) + HgO(s) \ to Hg(l) + ZnO(s)Zn(s)+HgO(s)→Hg (л)+ZnO(т)

    Какая катодная полуреакция у этой ячейки?

    Совет: рассмотрите возможность добавления жидкой воды, электронов, протонов или гидроксида, чтобы сбалансировать окислительно-восстановительные полуреакции.{-}(водн.)HgO(s)+h3​O(ж)+2e-→Hg(ж)+2OH-(водн.)

    Вторичные элементы перезаряжаемые. Реакцию в электроде можно обратить, приложив к ячейке электрический потенциал. Процесс перезарядки временно превращает гальванический элемент в электролитический элемент. Примеры включают никель-кадмиевые батареи, используемые в перезаряжаемых электроинструментах, и свинцовые аккумуляторные батареи, используемые в автомобилях.

    гальванические элементы и гальванические элементы | Электрохимические элементы

    Основные понятия

    В этом руководстве по гальваническим элементам , также известным как гальванические элементы , вы узнаете основы окислительно-восстановительных реакций и как применить эту информацию к гальваническим элементам.Вы также узнаете, как определить, какие полуреакции происходят на каком электроде, а также как использовать эти стандартные потенциалы полуреакции для расчета потенциала клетки.

    Существует два типа электрохимических элементов – гальванический элемент, также называемый гальваническим элементом, и электролитический элемент. Гальванические элементы производят электричество, в то время как электролитические элементы используют источник энергии для ускорения реакции.

    Описано в других статьях

    Стандартные восстановительные потенциалы
    Электролитические ячейки
    Балансирование окислительно-восстановительных реакций
    Расчет чисел окисления

    Основы окислительно-восстановительных реакций

    В электрохимическом процессе электроны вытекают из одного вещества как окислительно-восстановительная (окислительно-восстановительная) реакция.Окислительно-восстановительные реакции происходят, когда вещество, называемое окислителем, окисляет другое вещество, забирая электроны и восстанавливаясь. В окислительно-восстановительной реакции простая мнемоника для запоминания направления переноса электронов — «Нефтяная вышка», что означает «окисление теряется, восстановление усиливается». Это относится к тому факту, что при окислении вид теряет электроны, а при восстановлении вид приобретает электроны.

    В реакциях, не являющихся окислительно-восстановительными, например, в кислотно-щелочных реакциях, степени окисления элементов не изменяются.

    Простым примером реакции окисления является реакция оксида железа (II) с монооксидом углерода по следующей схеме:

       

    степень окисления от +2 до +4. Во всех окислительно-восстановительных реакциях один вид окисляется, а другой восстанавливается.

    Некоторые элементы, такие как ванадий, могут даже проходить через несколько степеней окисления в ходе окислительно-восстановительной реакции.

    Электрохимические элементы

    Существует два типа электрохимических элементов: гальванические и электролитические .

    Гальванический элемент имеет долгую историю. Он назван в честь итальянского физика Луиджи Гальвани (1737 – 1798), который наблюдал, что рассеченные мышцы лягушачьей лапки дергались при подаче на них электрического тока. Гальванический элемент использует энергию спонтанной окислительно-восстановительной реакции для получения электрического тока. Другое распространенное название гальванических элементов — voltaic elements , названное в честь другого итальянского физика Алессандро Вольта (1745 — 1827), изобретшего гальванический (вольтаический) элемент.

    С другой стороны, электролитическая ячейка использует электрический ток для запуска обычно неспонтанной окислительно-восстановительной реакции. Типичным примером электролитической ячейки является подача электрического тока на воду для разложения воды на газообразные водород и кислород посредством следующей реакции: анод и катод, и содержат раствор электролита.Этот раствор электролита позволяет перемещать ионы в раствор и из раствора, сохраняя при этом общий заряд элемента нейтральным.

    Основное различие между гальваническим и электролитическим элементом заключается в направлении работы. Гальванический элемент превращает спонтанную химическую реакцию в полезную работу, тогда как электролитический элемент использует работу для запуска неспонтанной реакции.

    Окисление происходит на аноде, а восстановление на катоде. Легкая мнемоника для запоминания — «Красный кот и бык», где «рыжий кот» означает восстановление — катод, а «бык» — анод — окисление.

    Определение потенциала гальванических элементов

    Рассмотрим классический Cu-Zn гальванический элемент (гальванический элемент), изображенный ниже

    Как видно из изображения, есть два электрода. Один из них цинковый, а другой медный. Чтобы определить, какой электрод является анодом, а какой катодом, необходимо рассмотреть две полуреакции. Полуреакция — это чистая реакция, которая происходит с окислением или восстановлением частиц и показывает поток электронов.Возьмем две полуреакции в ячейке Cu-Zn:

    При наличии двух подобных полуреакций вещества с более высоким восстановительным потенциалом обычно восстанавливаются. Из-за этого мы видим, что в ячейке Cu-Zn медь будет восстанавливаться, а цинк окисляться. Затем мы должны перевернуть полуреакцию цинка, чтобы показать реакцию окисления:

    Обратите внимание, что хотя мы перевернули химическое уравнение, стандартный восстановительный потенциал остается отрицательным.

    Из полуреакции восстановления меди и полуреакции окисления цинка мы можем создать общую чистую окислительно-восстановительную реакцию, сложив их вместе и убедившись, что электроны складываются правильно:

    Затем мы можем использовать уравнение для определения общий потенциал клетки. Для нашего Cu-Zn элемента потенциал будет рассчитан как:

    Напомним, что восстановление происходит на катоде, а окисление происходит на аноде. Подробнее о расчете клеточных потенциалов можно прочитать здесь.

    Диаграммы ячеек

    Понять диаграмму ячеек очень просто. Концепция клеточной диаграммы состоит в том, чтобы дать более удобное линейное обозначение, которое легко показывает границы фаз, обозначенные одной вертикальной линией, и солевой мостик, обозначенный двойной вертикальной линией.

    Следуя этому соглашению для нашего медно-цинкового элемента, мы получим следующую схему элемента:

    Гальванический элемент и гальванический элемент – Читать далее

    Узнайте о цинковых анодах в гальванических элементах здесь!
    Соберите свой собственный гальванический элемент из картофельной батареи

    Для расчетов в нестандартных условиях используйте уравнение Нернста!

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.