Принцип работы гальванического элемента – — , ,

Содержание

2.2. Устройство и работа гальванического элемента

Возникновение
электродного потенциала на металлических
электродах делает возможной работу
гальванического элемента.

Гальванический
элемент – это система, состоящая из
двух электродов, на поверхности которых
химическая энергия окислительно-восстановительных
процессов превращается в электрическую
энергию.

Гальванический
элемент состоит из двух различных
металлических электродов, каждый из
которых погружен в раствор своей соли.
Растворы солей должны быть разделены
пористой перегородкой, которая
препятству­ет смешению растворов, но
дает возможность анионам электролита
перехо­дить из одного раствора в
другой. Иногда растворы солей помещают
в разные сосуды, тогда их соединяют
электролитическим мостиком, предназна­ченным
также для осуществления ионной
проводимости в элементе.

Электрод,
помещенный в раствор своей соли, образует
полуэлемент. Таким образом, гальванический
элемент состоит из двух полуэлементов.
В каждом полуэлементе возникает
электродный потенциал. Поскольку
металлы, из которых сделаны электроды,
различны, то и электродные потен­циалы
будут иметь разное значение. Если эти
два полуэлемента соединить между собой
проводником первого рода, то электроны
начнут переходить от электрода, где их
больше (электродный потенциал меньше
по своей величи­не), к электроду, на
котором электронов меньше (электродный
потенциал больше по величине). Этот
переход электронов вызовет нарушение
равновесия в двойном электрическом
слое на обоих электродах. При этом на
элек­троде с меньшим электродным
потенциалом новое количество катионов
ме­талла перейдут в раствор, а на
втором электроде с большим электродным
потенциалом катионы из раствора перейдут
на электрод. Таким образом, на первом
электроде будет проходить реакция
окисления:

Ме1


= Me1+n,

где
Me1
– первый металл;

n
– число электронов;

а
на втором электроде будет идти реакция
восстановления:

.

Me2+n
+ ne
= Me2,

где
Ме2
– второй металл.

Электрод,
на котором протекает реакция окисления
(электрод с меньшим электродным
потенциалом), называется анодом. Электрод,
на котором протекает реакция восстановления
(электрод с большим потенциалом),
называется катодом. Разность потенциалов
электродов служит мерой способ­ности
гальванического элемента совершать
электрическую работу и называ­ется
электродвижущей силой (ЭДС) и обозначается
Ет.э.
ЭДС гальванического элемента равна
разности потенциалов катода и анода:
Ет.е.
= Екатода
— Еанода.
Схематически можно записать формулу
гальванического элемента следующим
образом:

Ме1
| Me1+nx
|| Me2+nx
| Me2

раствор
раствор

В
формуле одна вертикальная черта
обозначает границу раздела твер­дой
фазы и раствора; двойная вертикальная
черта — граница раздела раство­ров,
стрелки указывают направление перехода
электронов.

3. Экспериментальная часть

3. 1. Качественное определение различной электрохимической активности металлов

Установите
опытным путем относительную активность
шести метал­лов: меди, железа, олова,
свинца, алюминия и цинка. Для этого
возьмите шесть пробирок, внесите в
каждую из них по 12-15 капель одного из
сле­дующих растворов: соли меди (II),
соли железа (II),
соли свинца (II),
соли алюминия и соли цинка. Во все
растворы, кроме раствора соли меди,
опус­тите на 1-2 минуты по кусочку меди
или медной проволоки. В какой про­бирке
красная медь покрылась налетом другого
металла? Что это за металл, оказавшийся
менее активным, чем медь? Напишите в
ионном виде уравне­ние реакции
взаимодействия меди с ионами этого
металла.

Выньте
из пробирок медные полоски и опустите
во все пробирки, кроме раствора соли
железа (II),
железную проволоку или кусочки железа.
Какие металлы вытесняются из раствора
солей железом? Напишите уравне­ния
реакций взаимодействия железа с ионами
этих металлов. Какова восстановительная
активность железа по сравнению с
вытесненными металлами?

Проведите
аналогичные опыты с кусочками свинца,
алюминия, олова и пинка. Наблюдайте
каждый раз, в каких пробирках происходит
вытеснение металла из его соли. Напишите
уравнения протекающих реакций с
ука­занием направления перехода
электронов. Результаты опытов запишите
в следующей таблице.

Опускаемый

металл

Ионы
металлов в растворе

Cu2+

Fe2+

Pb2+

Al3+

Sn2+

Zn2+

Cu

Fe

Pb

Al

Sn

Zn

Знаком
(+) под соответствующими ионами металлов
обозначайте вытеснение металлов из
раствора своей соли при действии того
или другого чистого металла и знаком
(-), если вытеснения не происходит.

Какой
из исследованных металлов самый активный
и вытеснил все остальные из их солей?
Какой металл наименее активный?
Расположите все остальные исследованные
металлы между ними в порядке убывающей
восстановительной активности. Напишите
в ряду активности под каждым ме­таллом
его нормальный электродный потенциал.
Соответствует ли составленный вами ряд
последовательности расположения
металлов в ряду нормальных электродных
потенциалов? Принимая электродный
потенциал водорода равным 0, поместите
водород в полученный ряд активности.
Какие из исследованных металлов могут
вытеснить водород из разбавленных
ки­слот?

studfiles.net

Гальванические элементы. Виды и устройство. Работа и особенности

В первых опытах ученых в емкость с кислотой опускали две металлические пластины: медную и цинковую. Пластины соединяли проводником, после чего на медной пластине появлялись газовые пузырьки, а цинковая пластина стала растворяться. Было доказано, что по проводнику проходит электрический ток. Это исследование начинал итальянский ученый Гальвани, от него и получили название гальванические элементы.

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

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

Принцип работы

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

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

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

Отрицательный вывод батарейки выполнен из цинка или лития, он теряет электроны и является восстановителем. Другой положительный вывод играет роль окислителя, его изготавливают из оксида магния или солей металлов. Состав электролита в обычных условиях не пропускает через себя электрический ток. При замыкании электрической цепи начинается распад электролита на ионы, что обуславливает появление его электрической проводимости. Электролит состоит чаще всего из раствора кислоты или солей натрия и калия.

Виды и особенности устройства

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

  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. Он участвует в реакции образования тока, создает проходимость ионов. Но такой электролит не показал хороших результатов, и его заменили хлоридом цинка с примесями хлорида кальция. Марганцево-кислые элементы работают дольше, и показывают лучшие результаты при пониженных температурах.

В солевых гальванических элементах отрицательным полюсом является цинковый корпус 7. Плюсовой электрод 6 изготовлен из активной прессованной массы, пропитанной электролитом. По центру этой массы находится угольный стержень 5, обработанный парафином для удержания влаги в электролите. Верхняя часть стержня закрыта металлическим колпаком. В сепараторе 4 находится густой электролит. В газовую камеру 1 поступают газы, образованные при работе батарейки. Сверху батарейку закрывают прокладкой 3. Весь гальванический элемент заключают в футляр 2, выполненный из картона или фольги.

Щелочные батарейки

Щелочные элементы питания появились в середине прошлого века. В них в качестве окислителя выступает диоксид марганца, а в качестве восстановителя порошковый цинк. Это дает возможность увеличить поверхность. Для предохранения от коррозии раньше применялось амальгамирование. Но после запрета на ртуть используют очищенные цинковые порошки с добавлением других металлов и ингибиторов коррозии.

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

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

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

В активную смесь вставляется целлофановый сепаратор, смоченный электролитом. По центру батарейки проходит латунный отрицательный электрод. Остальной объем между сепаратором и отрицательным токоотводом заполняется анодной пастой в виде порошкового цинка, пропитанного густым электролитом. Обычно в качестве электролита используют щелочь, насыщенную специальными соединениями цинка. Это дает возможность предотвратить потребление щелочи в начале работы элемента, и снизить коррозию. Масса щелочных батареек выше солевых из-за стального корпуса и большей плотности активной смеси.

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

Литиевые элементы питания

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

Существуют литиевые батарейки и литиевые аккумуляторы, имеющие между собой большие отличия. Батарейки имеют в составе твердый органический электролит, в отличие от других видов элементов. Литиевые элементы используются в местах, где требуются средние и малые токи разряда, стабильное рабочее напряжение. Литиевый аккумулятор можно перезаряжать определенное количество раз, а батарейки не предназначены для этого, и используются только один раз. Их запрещается вскрывать или перезаряжать.

Основные требования к производству
  • 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:

electrosam.ru

Гальванический элемент: схема, принцип работы, применение

Для того чтобы составить схему гальванического элемента, необходимо понять принцип его действий, особенности строения.

Потребители редко обращают внимание на аккумуляторы и батарейки, при этом именно эти источники тока являются самыми востребованными.

Химические источники тока

Что собой представляет гальванический элемент? Схема его основывается на электролите. В устройство входит небольшой контейнер, где располагается электролит, адсорбируемый материалом сепаратора. Кроме того, схема двух гальванических элементов предполагает наличие катода и анода. Как называется такой гальванический элемент? Схема, связывающая между собой два металла, предполагает наличие окислительно-восстановительной реакции.

Простейший гальванический элемент

Он подразумевает наличие двух пластин либо стержней, выполненных из разных металлов, которые погружены в раствор сильного электролита. В процессе работы данного гальванического элемента, на аноде осуществляется процесс окисления, связанный с отдачей электронов.

На катоде – восстановление, сопровождающееся принятием отрицательных частиц. Происходит передача электронов по внешней цепи к окислителю от восстановителя.

Пример гальванического элемента

Для того чтобы составить электронные схемы гальванических элементов, необходимо знать величину их стандартного электродного потенциала. Проанализируем вариант медно-цинкового гальванического элемента, функционирующего на основе энергии, выделяющейся при взаимодействии сульфата меди с цинком.

Этот гальванический элемент, схема которого будет приведена ниже, называют элементом Якоби-Даниэля. Он включает в себя медную пластинку, которая погружена в раствор медного купороса (медный электрод), а также он состоит из цинковой пластины, находящейся в растворе его сульфата (цинковый электрод). Растворы соприкасаются между собой, но для того, чтобы не допускать их смешивания, в элементе используется перегородка, выполненная из пористого материала.

Принцип действия

Как функционирует гальванический элемент, схема которого имеет вид Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Во время его работы, когда замкнута электрическая цепь, происходит процесс окисления металлического цинка.

На его поверхности соприкосновения с раствором соли наблюдается превращение атомов в катионы Zn2+. Процесс сопровождается выделением «свободных» электронов, которые передвигаются по внешней цепи.

Реакцию, протекающую на цинковом электроде, можно представить в следующем виде:

Zn = Zn2+ + 2e-

Восстановление катионов металла осуществляется на медном электроде. Отрицательные частицы, которые попадают сюда с цинкового электрода, объединяются с катионами меди, осаждая их в виде металла. Данный процесс имеет следующий вид:

Cu2+ + 2e- = Cu

Если сложить две реакции, рассмотренные выше, получается суммарное уравнение, описывающее работы цинково-медного гальванического элемента.

В качестве анода выступает цинковый электрод, катодом служит медь. Современные гальванические элементы и аккумуляторы предполагают применение одного раствора электролита, что расширяет сферы их применения, делает их эксплуатацию более комфортной и удобной.

Разновидности гальванических элементов

Самыми распространенными считают угольно-цинковые элементы. В них применяется пассивный угольный коллектор тока, контактирующий с анодом, в качестве которого выступает оксид марганца (4). Электролитом является хлорид аммония, применяемый в пастообразном виде.

Он не растекается, поэтому сам гальванический элемент называют сухим. Его особенностью является возможность «восстанавливаться» на протяжении работы, что позитивно отражается на продолжительности их эксплуатационного периода. Такие гальванические элементы имеют невысокую стоимость, но невысокую мощность. При понижении температуры они снижают свою эффективность, а при ее повышении происходит постепенное высыхание электролита.

Щелочные элементы предполагают использование раствора щелочи, поэтому имеют довольно много областей применения.

В литиевых элементах в качестве анода выступает активный металл, что позитивно отражается на сроке эксплуатации. Литий имеет отрицательный электродный потенциал, поэтому при небольших габаритах подобные элементы имеют максимальное номинальное напряжение. Среди недостатков подобных систем можно выделить высокую цену. Вскрытие литиевых источников тока является взрывоопасным.

Заключение

Принцип работы любого гальванического элемента основывается на окислительно-восстановительных процессах, протекающих на катоде и аноде. В зависимости от используемого металла, выбранного раствора электролита, меняется срок службы элемента, а также величина номинального напряжения. В настоящее время востребованы литиевые, кадмиевые гальванические элементы, имеющие достаточно продолжительный срок своей службы.

fb.ru

24. Рассмотреть работу гальванического элемента на примере элемента Даниэля Якоби. Принцип составления схемы гальванического элемента. Как рассчитывается эдс гальванического элемента.

Гальванический
элемент состоит из двух электродов 
анода и катода. Его
устройство и принцип работы рассмотрим
на примере элемента Даниэля-Якоби. В
этом элементе используют медный и
цинковый электроды. Каждый электрод
помещен в ёмкость с раствором электролита,
катионы которых «одноимённый»
материалу электрода. Ёмкости разделены
перегородкой. Цинковый электрод опущен
в растворZnSO4.При
замыкании цепи гальванического элемента
между электродом и раствором электролита
идёт реакция окисления:

Ионы
цинка из электрода переходят в раствор,
а на электроде остаются электроны; таким
образом цинковая пластинка заряжается
отрицательно и становится анодом.
Возникает отрицательный электродной
потенциал  .

Между
медным электродом и окружающем его
раствором CuSO4идёт
реакция восстановления:

Ионы
меди из раствора осаждаются на медном
электроде, который приобретает
положительный заряд и становится
катодом. Электродный потенциал его
будет равен 

Катод
— менее активный металл, а анод — более.
например: (-)Zn|ZnSO4||CuCl2|Cu(+)

ЭДС
= потенциал катода — потенциал анода

25. Концентрационный гальванический элемент, принцип работы и расчет эдс. Привести пример.

Концентрационные
элементы
 состоят
из одинаковых электродов, отличающихся
активностями потенциалопределяющего
иона Действительно,
из уравнения Нернста следует, что
при с1>c2 ЭДС
концентрационного элемента 

равна 

ЭДС
этих элементов обычно очень мала.
Концентрационные элементы используются
при определении pH и концентраций
труднорастворимых солей.

Пример:
Zn|ZnCl2||ZnCl2||Zn
— концентрация меньше — анод, больше —
катод

26. Что такое электролиз? Какие бывают электроды? Электролиз расплава. Привести пример.

Электролиз
-электрохимические
процессы прямого преобразования
электрической энергии в химическую,
протекающие на электродах под действием
постоянного тока.

При электролизе
возможны 2 случая работы электродов:

  1. Инертные
    – не участвуют в процессе электролиза
    (Pt,
    Au,
    Ag,
    C)

  2. Растворимые
    электроды – участвуют в процессе
    электролиза. Растворимый анод.

Men++ne=Me

Электролиз
расплава
. Рассмотрим электролиз
расплава СuCl2, который диссоциирует
на ионы Сu2+и Cl⁻.
При подключении напряжения к электродам
через расплав начинает протекать
электрический ток. Так, при электролизе
расплава хлорида меди (II) электродные
процессы могут быть выражены полуреакциями:

на
катоде (–): Сu2++ 2e → Cu0
катодное восстановление

на
аноде (+): 2 Cl– 2e → Cl2
анодное окисление

Общая
реакция электрохимического разложения
вещества представляет собой сумму двух
электродных полуреакций, и для хлорида
меди она выразится уравнением

Cu2++
2 Cl→ Cu + Cl2

27. Электролиз растворов. Привести все случаи в зависимости от активности металлов.

В
электролизе растворов участвует вода

Катодный
процесс: 2H2O+2e=H2+2OH
ф=-0,41 В,

Анодный
процесс: 2Н2О-4е=О2+4ОН

studfiles.net

8. Гальванический элемент. Выражение для эдс гальванического элемента. Работа гальванического элемента.

При любой
окислительно-восстановительной реакции
происходит переход электронов от
восстановителя к окислителю. Так, при
опускании цинковой пластинки в раствор
сульфата меди происходит реакция

Zn + Cu2+
= Си
+ Zn2+

Здесь восстановитель
— цинк — отдает электроны. Эта полу­реакция
выражается уравнением:

Zn = Zn2+2е

Окислитель — ион
меди — принимает электроны. Уравнение
этой полуреакции имеет вид:

Си2+
+ 2е
= Си

Эту реакцию можно
осуществить таким способом, что
окисли­тельная и восстановительная
полуреакции окажутся пространст­венно
разделенными, а электроны будут переходить
от восстано­вителя к окислителю не
непосредственно, а по проводнику
элек­трического тока — по внешней
цепи. Этот направленный поток электронов
представляет собою электрический ток.
При таком осуществлении
окислительно-восстановительной реакции
ее энер­гия будет превращена в
электрическую энергию, которую можно
использовать, включив во внешнюю цепь
устройство, потребляю­щее электрическую
энергию (например, электронагревательный
прибор, электрическую лампу и т. п.).

Гальванические
элементы

это устройства, которые применяют для
непосредственного преоб­разования
энергии химической реакции в электрическую
энергию.

В качестве примера
на рисунке приведен медно-цинковый
гальваниче­ский элемент, работающий
за счет энергии приведенной выше ре­акции
между цинком и сульфатом меди.

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. 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.

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.
Электрод, на котором протекает
восстановление, называется катодом. В
медно-цинковом элементе цинковый
электрод яв­ляется анодом, а медный
— катодом.

Протекающая в
гальваническом элементе
окислительно-восста­новительная
реакция представляет собой сложный
процесс. Она включает собственно
электрохимические стадии (пре­вращения
атомов, ионов или молекул на электродах),
пе­ренос электронов, перенос ионов.
Все эти стадии со­пряжены между собой
и протекают с одной и той же скоростью;
число электро­нов, которые за единицу
времени отдает цинк, рав­но числу
электронов, прини­маемых за это же
время ионами меди. Поэтому ско­рость
реакции, протекаю­щей в гальваническом
эле­менте, пропорциональна ко­личеству
электричества, перенесенного по цепи
в единицу времени, т. е. силе тока в цепи.

Электрический ток,
протекающий по внешней цепи гальваниче­ского
элемента, может производить полезную
работу. Но работа, которую можно выполнить
за счет энергии химической реакции,
зависит от ее скорости: она максимальна
при бесконечно медлен­ном—обратимом—проведении
реакции. Следова­тельно, работа,
которую можно произвести за счет реакции,
про­текающей в гальваническом элементе,
зависит от величины отби­раемого от
него тока. Если, увеличивая сопротивление
внешней цепи, уменьшать ток до бесконечно
малого значения, то и ско­рость реакции
в элементе тоже будет бесконечно малой,
а ра­бота — максимальной. Теплота,
выделяемая во внутренней цепи элемента,
будет при этом, наоборот, минимальна.

Работа электрического
тока выражается произведением коли­чества
прошедшего по цепи электричества на
напряжение. В мед­но-цинковом элементе
при окислении одного эквивалента цинка
и одновременном восстановлении одного
эквивалента ионов меди по цепи пройдет
один фарадей (F
= 96485 кулонов) электричества, так что
полезная работа А’,
которую ток может совершить, будет равна

где V—
напряжение между полюсами элемента.

Но поскольку эта
работа зависит от силы тока, то и
напряже­ние между полюсами элемента
тоже зависит от силы тока (F
величина
постоянная). В предельном случае,
отвечающем обрати­мому протеканию
реакции, напряжение будет максимальным.

ЭДС гальванического
элемента

это ма­ксимальное значение напряжения
гальванического элемента, соответствующее
обратимому протеканию реакции.

Для этого предельного
случая полезная работа, производимая
электрическим током в медно-цинковом
элементе при взаимодей­ствии одного
эквивалента цинка с одним эквивалентом
ионов меди, выразится уравнением

где

э. д. с. элемента.

При взаимодействии
одного моля атомов цинка с од­ним
молем ионов меди уравнение примет вид:

В общем случае при
растворении (или выделении) одного моля
вещества, ионы которого имеют заряд
равный z,
максималь­ная полезная работа связана
с э. д. с. уравнением:

При постоянных
температуре и давлении максимальная
полезная работа реакции равна взятому
с обратным знаком изменению энергии
Гиббса
.
Отсюда:

Если концентрации
веществ, уча­ствующих в реакции, равны
единице, т. е. если соблюдаются стан­дартные
условия, то э.д.с. элемента называется
его стандарт­ной электродвижущей
силой и обозначается Е°.
При этом последнее уравнение принимает
вид:

studfiles.net

Гальванический элемент: схема, принцип работы, состав

Впервые в мире гальванический элемент был разработан Луиджи Гальвани. Об его истории читайте в этой статье. По сути это временный источник электрического тока, который формируется за счет протекания химической реакции. Поток электронов формируется за счет взаимодействия между двумя разноименными металлами. В результате этого химическая энергия преобразуется в электрическую, которую уже можно использовать в повседневной жизни.

Концентрационный гальванический элемент – это источник тока в состав которого входит 2 однотипных металлических электродов помещенных в смесь солей этого металла в различных концентрациях.

Кроме Гальвани созданием эффективной батареи занимался Даниэль Якоби. Он немного видоизменил свой источник энергии. В его состав входит пластина, выполненная из меди, помещенная в CuSO4 и пластина из цинка погруженная в ZnSO4. Чтобы не дать им воздействовать прямо друг на друга между ними установлена пористая стенка. Ниже представлена схема гальванического элемента Даниэля Якоби.

Цинк и медь обладают разной активностью и поэтому их заряд по величине будет различным. В итоге уровень электродов также не однозначен. Это позволяет им перемещаться и производить электрический или гальванический ток. Он начинает протекать, когда любой человек или изобретатель тока хранящего аппарата присоединяет нагрузку. В качестве нее может быть лампочка, приемник, компьютерная мышка и другие электрические устройства.

Схема гальванического элемента

Под схемой подразумевают его состав и устройство. Он может быть выполнен из нескольких химических элементов с применением вспомогательных приспособлений. Ниже об строение гальванического элемента будет рассказано кратко. Подробнее о нем читайте в этой статье!

Устройство гальванического элемента

Самый простой энергетический накопитель состоит из:

  1. Стрежня из угля.
  2. Двух разнородных металлов.
  3. Электролита.
  4. Смола или пластик.
  5. Изолятора.

Как видно из этой схемы в составе строения гальванического элемента имеется отрицательный и положительный электрод. Они могут быть выполнены из меди, цинка и других металлов. Имеют название по типу медно цинковые. Иногда их называют сухие батарейки.

Обозначение гальванического элемента на схеме выполнено в виде двух вертикальных прямых приближенных друг к другу на небольшом расстоянии. Одна из которых будет меньше. По краям возле каждой такой линии имеются знаки, обозначающие полярность. У длинной линии ставят плюс, а у короткой минус. Рядом может располагаться вольтаж. Это означает что схема в которой используется батарейка работает только от этого напряжения.

Принцип работы гальванического элемента

Работа гальванического элемента осуществляется за счет движения электронов от одного металлического контакта к другому. Идет некое химическое превращение. Подробнее про термодинамику гальванического элемента и образование гальванического электричества читайте здесь.

Ответы на часто задаваемые вопросы

Гальванический/ая Разъяснение
Батарея Источник энергии работающий за счет процессов, происходящих в ограниченном миниатюрном пространстве. В частности, энергия появляется, когда идет химическая реакция.
Элемент Вольта или Вольтов столб

 

Это энергетический элемент впервые созданный ученым по фамилии Вольт.
Процесс Взаимодействие между химическими элементами в результате которого образуется электрический ток.
Разряд Это завершение протекания химической реакции. То есть взаимодействия между веществами не будет.

Гальванический разряд есть в игре Warframe. По сути это модификация, которая находится в большом дефиците. Ее используют для холодного оружия. Полярность V2.

Гальванический контакт

 

Это контакт между электродами и раствором.
Эффект Появление разности между двумя контактами из 2-х типов металлов. Величина зависит от температуры и химии проводников. По сути это первый закон Вольта.
Соединение/связь/цепь Объединение 2-х и более участков электрической цепи с источником тока.
Гальванический заряд Наполнение батареи энергией.

Гальваника – это протекание химических процессов с использование электрического тока. В ходе реакция сокращается количество растворенных катионов металла до такой степени что в конечном итоге они создают единое покрытие на металлическом электроде. В итоге предмет получается более прочным, исчезают небольшие вмятины и его вид становится более привлекательным.

Типы гальванических элементов

Выделяют ряд батареек определенных типов.

Таблица гальванических элементов

Тип Напряжение Основные плюсы
Литиевые 3 V Большая емкость, высокая сила тока.
Солевые батарейки или угольно – цинковые 1.5 в Самые дешевые.
Никельоксигидроксильные NiOOH 1.6 вольт Повышенный ток. Большая емкость.
Щелочные или алкалиновые 1.6 V Большая сила тока. Хороший объем.

Более детальнее эта тема раскрыта в статье виды батареек!

Назначение гальванического элемента

Он предназначен для запуска электрической технике. Это могут быть:

  1. Часы.
  2. Пульты.
  3. Фонарики.
  4. Медицинское оборудование.
  5. Ноутбуки.
  6. Игрушки.
  7. Брелки.
  8. Телефоны.
  9. Лазерные указки.
  10. Калькуляторы.

И им подобные окружающие нас вещи.

Гальванический элемент в домашних условиях

Простой источник тока можно сделать и своими руками. Для этого нам потребуется следующий инвентарь:

  1. Пластиковый стакан.
  2. Электролит. В качестве него можно взять соленый раствор, газировку или лимонную кислоту, разведенную в воде.
  3. Пластинки двух разных металлов. К примеру алюминий и медь.
  4. Провода

Процесс изготовления

Берем пластиковый стаканчик и наливаем в него электролит. Не следует наполнять стакан до самых краев. Лучше на 1-2 сантиметра не долить. К металлическим пластинам прикрепите проводники. Далее установите на края нашей емкости пластины из меди и алюминия. Они должны располагаться параллельно друг к другу. Когда все готова можно замерить с помощью вольтметра напряжение.

Подключите прибор и прикоснитесь щупами к контактам нашего источника тока. Держите и не отрывайте их пока на дисплее не высветится напряжение. Обычно оно составляет 0.5-0.7 вольт. Такие цифры показываются в зависимости от электролита. Точнее используемого вещества в его качестве.

Более детально создание батареи своими руками описано в этой статье.

Таким образом изготавливается самодельный гальванический элемент.

batareykaa.ru

3.6 Опишите устройство и принцип действия биметаллических гальванических элементов ну и тд.Эдс расчет пример. Гальванические элементы. Направление окислительно-восстановительных реакций

Рассмотрим
реакцию:

Zn +
CuSO4 → ZnSO4 + Cu

Сущность
этой реакции вытеснения сводится
к восстановлению одним
металлом иона второго. Например, в ряду
металлов ZnFeCuAg каждый
предыдущий вытесняет последующий из
его солей, тогда как обратное вытеснение
не наблюдается.

Процесс
взаимодействия цинка с ионом меди по
приведенной выше схеме можно разбить
на две полуреакции:

Zn –
2e → Zn2+

Cu2+ +
2e → Cu

Очевидно,
что если бы удалось осуществить
передачу электронов не
непосредственно, а через металлический
проводник, то по нему потек бы от цинка
к меди поток электронов, т.е. электрический
ток. На рисунке 6.1 показана
схема гальванического
элемента
,
т.е. установки, делающей возможной такую
передачу электронов по проводу. В
гальваническом элементе происходит
непосредственное преобразование энергии
химической реакции в электрическую
энергию.

Рисунок
6.1 – Конструкция медно-цинкового
гальванического элемента (элемент
Даниэля-Якоби
)

Сосуд А и
соединяющая оба сосуда трубка В заполнены
раствором ZnSO4,
сосуд Б – раствором CuSO4.
В первый из них опущена цинковая
пластинка, во второй – медная. Если
соединить обе пластинки проводом, то
по нему в указанном стрелкой направлении
начнут перемещаться электроны (потечет
электрический ток). Трубка В обеспечивает
замкнутость цепи, по ней перемещаются
ионы SO42–Электрод,
на котором происходит процесс
восстановления (на рисунке 6.1 – медный)
называется катодом, а электрод, на
котором осуществляется окисление (в
рассмотренном примере – цинковый) –
анодом.

В
данном случае электродные процессы
являются гетерогенными,
т.к. окисленная и восстановленная формы
находятся в разных фазах *.
Вболее общем виде гетерогенный
электродный процесс можно записать в
виде:

Me (ВФ, тв.
фаза) – ne Men+ (aq)
(ОФ, раствор)

На
границе раздела фаз возникает двойной
электрический слой
,
состоящий из катионов Men+ (в
растворе) и электронов (в металле), что
приводит к появлению потенциала E(Men+/Me).
Его абсолютная величина определению
не поддается, однако легко измеряется
разность потенциалов катода и анода,
которая называется электродвижущей
силой
 (ЭДС)
гальванического элемента  ΔE=EкEа.
Если в таких устройствах условно считать
потенциал какого-то электрода равным
нулю, то измерением ЭДС можно получить
относительные значения других электродных
потенциалов, что важно для сравнительной
количественной характеристики электродов.

Условно
за нуль принят потенциал стандартного
водородного электрода
,
который состоит из платиновой пластинки,
покрытой платиновой
чернью
 и
частично погруженной в раствор кислоты
с активной
концентрацией ионов
 водорода,
равной 1 моль/л. Электрод омывается
газообразнымводородом под
давлением 1,013·105 Па
(1 атмосфера), что приводит к образованию
системы:

2
H+ +
2eH2

Для
измерения электродных потенциалов
металлов, например меди,
составляют гальванический элемент, в
котором вторым электродом служит
стандартный водородный электрод. В
основе работы составленного гальванического
элемента лежит реакция

Cu2+ +
H2 → 2H+ + Cu

На
схеме гальванического элемента границы
раздела фаз показывают
одной вертикальной чертой, а электроды
отделяют друг от друга двумя вертикальными
чертами. Анод на схеме указывают слева,
а катод – справа:

А
(–)  Pt(H2)2H+Cu2+Cu  (+)
К

Катодом
в этом случае является медный электрод.
ЭДС гальванического элемента, измеренная
при концентрации (активности)
ионов меди 1 моль/л, равна 0,34 В и
может быть выражена как  ΔE=E(Cu2+/Cu)–E(2H+/H2).
Так как E(2H+/H2)
принят за нуль, то E(Cu2+/Cu)=ΔE=0,34В при
стандартных условиях. Если медь
заменить цинком,
то катодом будет водородный
электрод
.
Тогда E(Zn2+/Zn)=
–ΔE=
–0,76В.

studfiles.net

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о