خلية جلفانية

رسم تخطيطي لخلية كلفانية بقلم دانيال جاكوبي

خلية جلفانية- بناءً على تفاعل معدنين و (أو) أكاسيدهما في إلكتروليت ، مما يؤدي إلى ظهور تيار كهربائي في دائرة مغلقة. سميت على اسم لويجي جالفاني.

تم اكتشاف ظاهرة حدوث تيار كهربائي عند ملامسة معادن مختلفة من قبل عالم وظائف الأعضاء الإيطالي ، أستاذ الطب في جامعة بولونيا لويجي جالفاني في عام 1786. وصف جالفاني تقلصات عضلات الأرجل الخلفية لضفدع حديث التشريح ، مثبتة بخطافات نحاسية ، عند لمسها بمشرط فولاذي. فسر المكتشف الملاحظات على أنها مظهر من مظاهر "الكهرباء الحيوانية".

المولدات الكهروكيميائية (خلايا الوقود)هي عناصر يتم فيها تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. يتم تخزين العامل المؤكسد وعامل الاختزال خارج الخلية ويتم توفيرهما بشكل مستمر ومنفصل للأقطاب الكهربائية أثناء التشغيل. أثناء تشغيل خلية الوقود ، لا يتم استهلاك الأقطاب الكهربائية. عامل الاختزال هو الهيدروجين (H 2) والميثانول (CH 3 OH) والميثان (CH 4) في الحالة السائلة أو الغازية. عادة ما يكون العامل المؤكسد هو أكسجين الهواء أو الأكسجين النقي. في خلية وقود الأكسجين والهيدروجين مع إلكتروليت قلوي ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. تستخدم محطات الطاقة في المركبات الفضائية ، فهي توفر الطاقة للمركبة الفضائية ورواد الفضاء.

تطبيق

• بطارياتتستخدم في نظام الإنذار ، الكشافات ، الساعات ، الآلات الحاسبة ، الأنظمة الصوتية ، الألعاب ، أجهزة الراديو ، معدات السيارات ، أجهزة التحكم عن بعد.
• بطارياتتستخدم لتشغيل محركات السيارات ، كما يمكن استخدامها كمصادر مؤقتة للكهرباء في أماكن بعيدة عن المستوطنات.
• خلايا الوقودتستخدم في إنتاج الطاقة الكهربائية (في محطات الطاقة) ، ومصادر الطاقة في حالات الطوارئ ، وإمدادات الطاقة المستقلة ، والنقل ، والطاقة على متن الطائرة ، والأجهزة المحمولة.

أنظر أيضا

المؤلفات

• أحمدوف ن. الكيمياء العامة وغير العضوية
• Aksenovich L. A. الفيزياء في المدرسة الثانوية: النظرية. مهام.

الروابط

وزارة التربية والتعليم والعلوم في الاتحاد الروسي

الجامعة الوطنية للبحوث النووية MEPhI

معهد بالاكوفو للهندسة والتكنولوجيا

الخلايا الجلفانية

القواعد الارشادية

في دورة "الكيمياء"

جميع أشكال التعليم

بالاكوفو 2014

الغرض من العمل: دراسة مبدأ تشغيل الخلايا الجلفانية.

مفاهيم أساسية

العمليات الكهروكيماوية على الواجهة

توجد أيونات الذرات في عقد المشابك البلورية للمعادن. عند غمر معدن في محلول ، يبدأ تفاعل معقد بين أيونات المعادن السطحية وجزيئات المذيب القطبية. نتيجة لذلك ، يتأكسد المعدن ، وتذهب أيوناته المميهة (المنحلة) إلى المحلول ، تاركًا الإلكترونات في المعدن:

أنا + m H 2 O Me (H 2 O) + ne-

المعدن مشحون سالبًا والمحلول مشحون بشكل إيجابي. هناك تجاذب إلكتروستاتيكي بين أولئك الذين مروا السائل بواسطة الكاتيونات المميهة والسطح المعدني وفي واجهة المحلول المعدني تتشكل طبقة كهربائية مزدوجة ، تتميز بفرق جهد معين - إمكانات الكهربائية.

أرز. 1 طبقة كهربائية مزدوجة في واجهة المحلول المعدني

إلى جانب هذا التفاعل ، يستمر التفاعل العكسي - اختزال أيونات المعادن إلى ذرات.

أنا (H2O) + ني
أنا + m H 2 O -

عند قيمة معينة لإمكانات القطب ، يتم إنشاء توازن:

أنا + m H 2 O
أنا (H2O) + ne-

للتبسيط ، لا يتم تضمين الماء في معادلة التفاعل:

أنا
أنا 2+ + ne-

يُطلق على الإمكانات التي تم إنشاؤها في ظل ظروف توازن تفاعل القطب الكهربائي إمكانات التوازن الكهربائي.

الخلايا الجلفانية

الخلايا الجلفانية- المصادر الكيميائية للطاقة الكهربائية. وهي أنظمة تتكون من قطبين (موصلات من النوع الأول) مغمورة في محاليل إلكتروليت (موصلات من النوع الثاني).

يتم الحصول على الطاقة الكهربائية في الخلايا الجلفانية من خلال عملية الأكسدة والاختزال ، بشرط أن يتم إجراء تفاعل الأكسدة بشكل منفصل على أحد القطبين وتفاعل الاختزال على الآخر. على سبيل المثال ، عندما ينغمس الزنك في محلول كبريتات النحاس ، يتأكسد الزنك ويقل النحاس.

Zn + CuSO 4 \ u003d Cu + ZnSO 4

Zn 0 + Cu 2+ \ u003d Cu 0 + Zn 2+

من الممكن إجراء هذا التفاعل بطريقة يتم فيها فصل عمليتي الأكسدة والاختزال مكانيًا ؛ عندها لن يحدث انتقال الإلكترونات من عامل الاختزال إلى العامل المؤكسد بشكل مباشر ، ولكن من خلال دائرة كهربائية. على التين. يوضح الشكل 2 مخططًا لخلية دانيال جاكوبي الجلفانية ، والأقطاب الكهربائية مغمورة في المحاليل الملحية وفي حالة توازن كهربائي مع المحاليل. يرسل الزنك ، باعتباره معدنًا أكثر نشاطًا ، أيونات إلى المحلول أكثر من النحاس ، ونتيجة لذلك يتم شحن القطب الكهربائي للزنك ، بسبب الإلكترونات المتبقية عليه ، بشكل سلبي أكثر من النحاس. يتم فصل الحلول بواسطة قسم لا يمكن اختراقه إلا للأيونات الموجودة في المجال الكهربائي. إذا تم توصيل الأقطاب الكهربائية ببعضها البعض بواسطة موصل (سلك نحاسي) ، فإن الإلكترونات من قطب الزنك ، حيث يوجد المزيد منها ، سوف تتدفق عبر الدائرة الخارجية إلى الدائرة النحاسية. هناك تدفق مستمر للإلكترونات - كهرباء. نتيجة لمغادرة الإلكترونات من القطب الكهربائي للزنك ، يبدأ الزنك بالمرور إلى محلول على شكل أيونات ، لتعويض فقدان الإلكترونات وبالتالي السعي لاستعادة التوازن.

يسمى القطب الذي تحدث فيه الأكسدة بالقطب الموجب. يسمى القطب الذي يحدث فيه الاختزال بالكاثود.

الأنود (-) كاثود (+)

أرز. 2. رسم تخطيطي لخلية كلفانية

أثناء تشغيل عنصر النحاس والزنك ، تحدث العمليات التالية:

1) أنوديك - عملية أكسدة الزنك Zn 0-2e → Zn 2+ ؛

2) الكاثودية - عملية اختزال أيونات النحاس Cu 2+ + 2e → Cu 0 ؛

3) حركة الإلكترونات على طول الدائرة الخارجية ؛

4) حركة الأيونات في المحلول.

يوجد في الزجاج الأيسر نقص في SO 4 2 - الأنيونات ، وفي الزجاج الأيمن يوجد فائض. لذلك ، في الدائرة الداخلية لخلية كلفانية عاملة ، هناك حركة من SO 4 2- أيونات من الزجاج الأيمن إلى الزجاج الأيسر عبر الغشاء.

تلخيصًا لتفاعلات القطب الكهربائي ، نحصل على:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

تحدث التفاعلات التالية على الأقطاب الكهربائية:

Zn + SO 4 2- → Zn 2+ + SO 4 2- + 2e (الأنود)

Cu 2+ + 2e + SO 4 2- → Cu + SO 4 2- (كاثود)

Zn + CuSO 4 → Cu + ZnSO 4 (التفاعل الكلي)

رسم تخطيطي لخلية كلفانية: (-) Zn / ZnSO 4 | | CuSO 4 / نحاس (+)

أو في شكل أيوني: (-) Zn / Zn 2+ | | Cu 2+ / Cu (+) ، حيث يشير الخط العمودي إلى الواجهة بين المعدن والمحلول ، وخطين - الواجهة بين مرحلتين سائلتين - قسم مسامي (أو أنبوب توصيل مملوء بمحلول إلكتروليت).

أقصى عمل كهربائي (W) أثناء تحويل مول واحد من مادة:

W = nF ه ، (1)

أين ∆E هي القوة الدافعة الكهربائية للخلية الجلفانية ؛

F هو رقم فاراداي ، يساوي 96500 درجة مئوية ؛

n هي شحنة أيون المعدن.

يمكن حساب القوة الدافعة الكهربائية للخلية الجلفانية على أنها فرق الجهد بين الأقطاب الكهربائية التي تشكل الخلية الجلفانية:

EMF \ u003d أكسيد E. - استعادة E \ u003d E k - E a ،

حيث EMF هي القوة الدافعة الكهربائية ؛

يتأكسد E. هو جهد القطب للمعادن الأقل نشاطًا ؛

استعادة E - جهد القطب الكهربائي للمعادن الأكثر نشاطًا.

الإمكانات القياسية للأقطاب الكهربائية للمعادن

لا يمكن تحديد القيم المطلقة لإمكانات المعادن بشكل مباشر ، ولكن يمكن تحديد الفرق في جهود القطب. للقيام بذلك ، أوجد فرق الجهد بين القطب الذي تم قياسه والقطب الكهربي ، حيث تُعرف إمكاناتهما. القطب المرجعي الأكثر استخدامًا هو قطب الهيدروجين. لذلك ، يتم قياس المجال الكهرومغناطيسي للخلية الجلفانية ، ويتكون من قطب هيدروجين قياسي تم فحصه ، ويفترض أن يكون جهد القطب صفرًا. مخططات الخلايا الجلفانية لقياس إمكانات المعدن هي كما يلي:

ح 2 ، نقطة | ح + || أنا و | أنا

نظرًا لأن إمكانات قطب الهيدروجين تساوي صفرًا ، فإن المجال الكهرومغناطيسي للعنصر المقاس سيكون مساويًا لإمكانات القطب الكهربائي للمعدن.

جهد القطب القياسي للمعدنيسمى جهد القطب الخاص به ، والذي يحدث عندما ينغمس معدن في محلول من أيون خاص به بتركيز (أو نشاط) يساوي 1 مول / لتر ، في ظل ظروف قياسية ، يتم قياسه بالمقارنة مع قطب هيدروجين قياسي ، وإمكاناته عند 25 0 C شرطيًا يساوي صفرًا. بترتيب المعادن على التوالي مع زيادة إمكانات القطب القياسي (E °) ، نحصل على ما يسمى بسلسلة الجهد.

كلما زادت الإمكانات السلبية لنظام Me / Me n + ، زاد نشاط المعدن.

جهد القطب لمعدن مغمور في محلول ملح خاص به عند درجة حرارة الغرفة، يعتمد على تركيز الأيونات المتشابهة ويتم تحديده بواسطة صيغة Nernst:

, (2)

حيث E 0 هو الجهد الطبيعي (القياسي) ، V ؛

R هو ثابت الغاز العام ، يساوي 8.31 J (مول.ك) ؛

F هو رقم فاراداي ؛

T - درجة الحرارة المطلقة ، K ؛

C هو تركيز أيونات المعادن في المحلول ، مول / لتر.

باستبدال قيم R و F ودرجة الحرارة القياسية T = 298 0 K وعامل التحويل من اللوغاريتمات الطبيعية (2.303) إلى اللوغاريتمات العشرية ، نحصل على صيغة ملائمة للاستخدام:

(3)

عناصر الجلفاني التركيز

يمكن أن تتكون الخلايا الجلفانية من قطبين متطابقين تمامًا منغمسين في محاليل من نفس الإلكتروليت ، ولكن بتركيزات مختلفة. تسمى هذه العناصر التركيز ، على سبيل المثال:

(-) حج | AgNO 3 || AgNO3 | حج (+)

في دارات التركيز لكلا القطبين ، قيم n و E 0 هي نفسها ، لذلك ، لحساب EMF لمثل هذا العنصر ، يمكن للمرء استخدام

, (4)

حيث C 1 هو تركيز المنحل بالكهرباء في محلول أكثر تمييعًا ؛

ج 2 - تركيز المنحل بالكهرباء في محلول أكثر تركيزاً

الاستقطاب الكهربائي

يمكن تحديد إمكانات التوازن للأقطاب الكهربائية في حالة عدم وجود تيار في الدائرة. الاستقطاب- التغيير في جهد القطب أثناء مرور التيار الكهربائي.

E = E i - E p، (5)

حيث E - الاستقطاب ؛

E i - جهد القطب أثناء مرور التيار الكهربائي ؛

E p - إمكانات التوازن. يمكن أن يكون الاستقطاب كاثوديًا E K (عند الكاثود) والأنود E A (عند الأنود).

يمكن أن يكون الاستقطاب: 1) كهروكيميائي. 2) مادة كيميائية.

متطلبات السلامة

1. يجب إجراء التجارب ذات الرائحة الكريهة والمواد السامة في غطاء دخان.

2. عند التعرف على الغاز المتصاعد عن طريق الرائحة ، وجه الطائرة بحركات اليد من الوعاء نحوك.

3. عند إجراء التجربة ، من الضروري التأكد من أن الكواشف لا تتسرب إلى الوجه والملابس والرفيق القريب.

4. عند تسخين السوائل ، وخاصة الأحماض والقلويات ، أمسك الأنبوب مع الفتحة بعيدًا عنك.

5. عند تخفيف حامض الكبريتيك ، لا ينبغي إضافة الماء إلى الحمض ، بل يجب سكب الحمض بعناية ، في أجزاء صغيرة ، في الماء البارد مع تقليب المحلول.

6. بعد الانتهاء من العمل ، اغسل يديك جيدًا.

7. يوصى بمحلول نفايات الأحماض والقلويات في أطباق مُعدة خصيصًا.

8. يجب تغطية جميع زجاجات الكاشف بمصدات مناسبة.

9. لا ينبغي سكب الكواشف المتبقية بعد العمل أو سكبها في زجاجات الكاشف (لتجنب التلوث).

أمر العمل

التمرين 1

دراسة نشاط المعادن

الأدوات والكواشف: الزنك والحبيبات. كبريتات النحاس CuSO 4 ، 0.1 ن محلول ؛ أنابيب الإختبار.

اغمر قطعة من الزنك الحبيبي في محلول 0.1 نيوتن من كبريتات النحاس. اتركه ثابتًا في الحامل ثلاثي القوائم وشاهد ما يحدث. اكتب معادلة للتفاعل. استنتج أي معدن يمكن اعتباره أنود وأي معدن يمكن اعتباره كاثود للتجربة التالية.

المهمة 2

خلية جلفانية

الأدوات والكواشف: الزنك ، فلزات النحاس. كبريتات الزنك ، محلول ZnSO 4 ، 1 M ؛ كبريتات النحاس محلول CuSO 4 ، 1 M ؛ كلوريد البوتاسيوم KCl ، محلول مركز ؛ الجلفانومتر. نظارات؛ أنبوب على شكل حرف U ، قطن.

في دورق واحد ، صب ما يصل إلى حجم من محلول ملح 1 متر من المعدن الذي يمثل الأنود ، وفي الآخر - نفس الحجم من محلول ملح 1 متر من المعدن الذي يمثل الكاثود. املأ الأنبوب U بمحلول KCl المركز. أغلق طرفي الأنبوب بقطع كثيفة من الصوف القطني وقم بخفضها في كلا الكوبين بحيث يتم غمرهما في المحاليل المعدة. في أحد الزجاجين ، قم بخفض لوحة الأنود المعدني ، وفي الزجاج الآخر ، قم بتخفيض لوحة الكاثود المعدني ؛ قم بتركيب الخلية الجلفانية باستخدام مقياس الجلفانومتر. أغلق الدائرة وحدد اتجاه التيار على الجلفانومتر.

قم بعمل رسم تخطيطي لخلية كلفانية.

اكتب المعادلات الإلكترونية للتفاعلات التي تحدث عند القطب الموجب والكاثود لخلية جلفانية معينة. احسب قيمة emf.

المهمة 3

تحديد المصعد من مجموعة محددة من اللوحات

الأدوات والكواشف: الزنك ، والنحاس ، والحديد ، والألمنيوم ؛ كبريتات الزنك ، محلول ZnSO 4 ، 1 M ؛ كبريتات النحاس محلول CuSO 4 ، 1 M ؛ محلول كبريتات الألومنيوم Al 2 (SO 4) 3 1 M ؛ كبريتات الحديد FeSO 4 ، 1 محلول ؛ كلوريد البوتاسيوم KCl ، محلول مركز ؛ نظارات؛ أنبوب على شكل حرف U ، قطن.

تشكل أزواج كلفانية:

Zn / ZnSO 4 || FeSO 4 / Fe

Zn / ZnSO 4 || CuSO4 / النحاس

ال / ال 2 (سو 4) 3 || ZnSO 4 / Zn

من مجموعة الألواح والمحاليل المحددة لأملاح هذه المعادن ، قم بتجميع خلية كلفانية يكون فيها الزنك هو الكاثود (المهمة 2).

قم بتكوين المعادلات الإلكترونية للتفاعلات التي تحدث عند القطب الموجب والكاثود للخلية الجلفانية المجمعة.

اكتب تفاعل الأكسدة والاختزال الذي يكمن وراء عمل هذه الخلية الجلفانية. احسب قيمة emf.

تصميم التقرير

يتم ملء مجلة المختبر خلال فصول المختبر حيث يتم تنفيذ العمل ويحتوي على:

تاريخ الانتهاء من العمل

اسم العمل المخبري ورقمه ؛

اسم التجربة والغرض من إجرائها ؛

الملاحظات ، معادلات التفاعل ، مخطط الصك ؛

أسئلة التحكم والمهام في الموضوع.

مهام التحكم

1. أي من التفاعلات التالية ممكن؟ اكتب معادلات التفاعل في شكل جزيئي ، وقم بتكوين معادلات إلكترونية لها:

Zn (NO 3) 2 + Cu →

Zn (NO 3) 2 + Mg →

2. قم بعمل رسم تخطيطي للخلايا الجلفانية لتحديد إمكانات القطب الطبيعي Al / Al 3+، Cu / Cu 2+ مقترنة بقطب هيدروجين عادي.

3. احسب EMF لخلية كلفانية

Zn / ZnSO 4 (1M) | | CuSO 4 (2M)

ما هي العمليات الكيميائية التي تحدث أثناء تشغيل هذا العنصر؟

4. الزنك النقي كيميائيا نادرا ما يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك. عند إضافة نترات الرصاص إلى الحمض ، يحدث التطور الجزئي للهيدروجين. اشرح هذه الظواهر. اكتب معادلات للتفاعلات التي تحدث.

5. يتلامس النحاس مع النيكل ويغمر في محلول حامض الكبريتيك المخفف ، ما هي العملية التي تحدث عند الأنود؟

6. ارسم مخططًا لخلية كلفانية ، والذي يعتمد على إجراء التفاعل وفقًا للمعادلة: Ni + Pb (NO 3) 2 \ u003d Ni (NO 3) 2 + Pb

7. القطب المنغنيز في محلول الملح لديه القدرة على 1.2313 V. احسب تركيز Mn 2+ أيونات في مول / لتر.

الوقت المخصص لعمل المختبر

المؤلفات

الأساسية

1. جلينكا. على ال. كيمياء عامة: كتاب مدرسي. بدل للجامعات. - م: لا يتجزأ - مطبعة ، 2005. - 728 ص.

2. Korzhukov N. G. الكيمياء العامة وغير العضوية. - م: MISIS ؛

INFRA-M، 2004. - 512 ص.

إضافي

3. Frolov V.V. الكيمياء: كتاب مدرسي. بدل للجامعات. - م: العالي. المدرسة ، 2002. -

4. Korovin N.V. كيمياء عامة: كتاب مدرسي للتكنولوجيا. اتجاه وخاصة الجامعات. - م: العالي. المدرسة ، 2002. –559 ص: رسم توضيحي.

4 - أخماتوف ن. الكيمياء العامة وغير العضوية: كتاب مدرسي للجامعات. - الطبعة الرابعة ، مصححة - M: Vyssh. المدرسة ، 2002. -743 ص.

5. Glinka N.A. المهام والتمارين في الكيمياء العامة. - م: مطبعة متكاملة ، 2001. - 240 ص.

6. Metelsky A. V. الكيمياء في الأسئلة والأجوبة: كتاب مرجعي. - مينسك: بيل إن ، 2003. - 544 ص.

الخلايا الجلفانية

القواعد الارشادية

للعمل المخبري

في دورة "الكيمياء"

لطلاب المجالات والتخصصات التقنية ،

"الكيمياء العامة وغير العضوية"

لطلاب اتجاه "التكنولوجيا الكيميائية"

جميع أشكال التعليم

بقلم: سينتسينا إيرينا نيكولايفنا

تيموشينا نينا ميخائيلوفنا

الخلية الجلفانية هي مصدر كيميائي للتيار الكهربائي بناءً على تفاعل معدنين و / أو أكاسيدهم في إلكتروليت ، سميت على اسم العالم الإيطالي لويجي جالفاني.

في وقت لاحق ، قام العالم بتجميع بطارية من خلايا النحاس والزنك ، والتي سُميت فيما بعد باسم عمود الفولتية (انظر الشكل). وهي تتألف من عدة عشرات من أكواب الزنك والنحاس ، مطوية في أزواج ومفصولة بقطعة قماش مبللة بالحمض. تم استخدام هذا الاختراع لاحقًا من قبل علماء آخرين في أبحاثهم. لذلك ، على سبيل المثال ، في عام 1802 ، صمم الأكاديمي الروسي V.V. Petrov بطارية عملاقة مكونة من 2100 خلية ، والتي أوجدت جهدًا يبلغ حوالي 2500 فولت واستخدمت لإنتاج قوس كهربائي قوي أحدث درجة حرارة عالية بحيث يمكنها إذابة المعادن.

هناك خلايا كلفانية وتصميمات أخرى. ضع في اعتبارك خلية جلفانية أخرى من النحاس والزنك ، ولكنها تعمل بالطاقة تفاعل كيميائيبين محلول الزنك وكبريتات النحاس (عنصر جاكوبي دانيال). يتكون هذا العنصر من صفيحة نحاسية مغمورة في محلول كبريتات النحاس ولوحة زنك مغمورة في محلول كبريتات الزنك (انظر الشكل). كلا المحلين على اتصال مع بعضهما البعض ، ولكن لمنع الاختلاط ، يتم فصلهما بواسطة قسم غشاء مصنوع من مادة مسامية.

نوع آخر من الخلايا الجلفانية هو ما يسمى بخلايا المنغنيز والزنك Leclanche "الجافة" (انظر الشكل). بدلاً من السائل المنحل بالكهرباء ، تستخدم هذه الخلية عجينة تشبه الهلام من الأمونيا والنشا. من أجل أن تتبخر الرطوبة بأقل قدر ممكن ، يتم ملء الجزء العلوي من هذا العنصر بالشمع أو الراتينج بفتحة صغيرة للهروب من الغازات. عادةً ما يتم صنع عناصر Leclanchet في أكواب أسطوانية ، والتي تعمل في نفس الوقت كقطب كهربائي سالب ووعاء.
تنقسم جميع مصادر التيار الكيميائي (الخلايا والبطاريات الجلفانية منها) إلى مجموعتين - أولية (يمكن التخلص منها) وثانوية (قابلة لإعادة الاستخدام أو قابلة للعكس). في المصادر الأولية الحالية (بالعامية ، البطاريات) ، تستمر العمليات الكيميائية بشكل لا رجوع فيه ، لذلك لا يمكن استعادة شحنتها. تُصنف البطاريات على أنها مصادر تيار كيميائي ثانوي ، ويمكن استعادة شحنتها. بالنسبة للبطاريات المستخدمة على نطاق واسع ، يمكن تكرار دورة الشحن والتفريغ حوالي 1000 مرة.

البطاريات لها جهد وقدرات مختلفة. على سبيل المثال ، البطاريات القلوية التقليدية لها جهد اسمي يبلغ حوالي 1.5 فولت ، وبطاريات الليثيوم الأكثر حداثة جهد اسمي يبلغ حوالي 3 فولت ، وتعتمد السعة الكهربائية على العديد من العوامل: عدد الخلايا في البطارية ، ومستوى الشحن ، درجة الحرارة المحيطة ، تيار القطع (الذي لا يعمل عنده الجهاز حتى مع الشحن المتاح). على سبيل المثال ، غالبًا ما تستمر البطارية التي لم تعد تعمل في الكاميرا في العمل في الساعات أو أجهزة التحكم عن بُعد.
يتم قياس كمية الكهرباء (الشحن) في البطاريات بالساعات أمبير. على سبيل المثال ، إذا كانت البطارية مشحونة بمقدار 1 أمبير في الساعة وكان الجهاز الكهربائي الذي تشغله يتطلب 200 مللي أمبير ، فسيتم حساب عمر البطارية على النحو التالي: 1 أمبير / 0.2 أمبير = 5 ساعات.
بفضل التقدم التكنولوجي ، ازداد تنوع الأجهزة المصغرة التي تعمل بالبطاريات. بالنسبة للكثير منهم ، كانت هناك حاجة إلى بطاريات أكثر قوة ، بينما تكون مضغوطة تمامًا. أصبحت بطاريات الليثيوم هي الحل لهذه الحاجة: عمر تخزين طويل وموثوقية عالية وأداء ممتاز على نطاق واسع من درجات الحرارة. حتى الآن ، الأكثر تقدمًا هي مصادر طاقة الليثيوم أيون. لم يتم الكشف عن إمكانات هذه التكنولوجيا بالكامل بعد ، ولكن الاحتمالات المباشرة مرتبطة بها.

تعتبر بطاريات النيكل والكادميوم ذات قيمة خاصة في التكنولوجيا ، وقد اخترعها العالم السويدي في. يونغنر في عام 1899. ولكن بحلول منتصف القرن العشرين فقط توصل المهندسون إلى مخطط حديث تقريبًا لمثل هذه البطاريات المغلقة. نظرًا لاكتنازها واستقلاليتها ، تُستخدم البطاريات القابلة لإعادة الشحن في السيارات والقطارات وأجهزة الكمبيوتر والهواتف والكاميرات وكاميرات الفيديو والآلات الحاسبة وما إلى ذلك.
الخصائص الرئيسية للبطارية هي قدرتها وأقصى تيار. سعة البطارية بالساعات الأمبير تساوي ناتج التيار المحدد ومدة التفريغ. على سبيل المثال ، إذا كانت البطارية قادرة على توصيل تيار 80 مللي أمبير لمدة 10 ساعات ، فإن السعة هي: 80 مللي أمبير 10 ساعات = 800 مللي أمبير (أو ، بالمعايير الدولية ، 800 مللي أمبير ، انظر الشكل).

كوزنتسوفا ألا فيكتوروفنا (سامارا)

1. خلية كلفانية

الخلية الجلفانية هي مصدر كيميائي للتيار الكهربائي سميت باسم لويجي جالفاني. يعتمد مبدأ تشغيل الخلية الجلفانية على تفاعل معدنين من خلال إلكتروليت ، مما يؤدي إلى ظهور تيار كهربائي في دائرة مغلقة. تعتمد المجالات الكهرومغناطيسية للخلية الجلفانية على مادة الأقطاب الكهربائية وتكوين الإلكتروليت. هذه هي HP الأولية ، والتي ، بسبب عدم رجوع التفاعلات التي تحدث فيها ، لا يمكن إعادة شحنها.

الخلايا الجلفانية هي مصادر الطاقة الكهربائية لعمل واحد. تعتبر الكواشف (عامل مؤكسد وعامل اختزال) جزءًا مباشرًا من الخلية الجلفانية ويتم استهلاكها أثناء تشغيلها. تتميز الخلية الجلفانية بالمجالات الكهرومغناطيسية والجهد والقوة والسعة والطاقة المعطاة للدائرة الخارجية ، فضلاً عن الثبات والسلامة البيئية.

يتم تحديد EMF حسب طبيعة العمليات التي تحدث في الخلية الجلفانية. دائمًا ما يكون جهد الخلية الجلفانية U أقل من EMF بسبب استقطاب الأقطاب الكهربائية وخسائر المقاومة:

U = Ee - I (r1 – r2) - E ،

أين Ee هو EMF للعنصر ؛ أنا هي القوة الحالية في وضع تشغيل العنصر ؛ r1 و r2 هي مقاومة الموصلات من النوع الأول والثاني داخل الخلية الجلفانية ؛ ΔЕ هو استقطاب خلية جلفانية ، تتكون من استقطاب أقطابها (الأنود والكاثود). يزداد الاستقطاب مع زيادة كثافة التيار (i) ، التي تحددها الصيغة i = I / S ، حيث S هي منطقة المقطع العرضي للإلكترود ، ومع زيادة مقاومة النظام.

أثناء تشغيل الخلية الجلفانية ، ينخفض ​​EMF الخاص بها ، وبالتالي الجهد الكهربائي تدريجيًا بسبب انخفاض تركيز الكواشف وزيادة تركيز منتجات عمليات الأكسدة والاختزال على الأقطاب الكهربائية (تذكر معادلة Nernst). ومع ذلك ، فكلما انخفض الجهد بشكل أبطأ أثناء تفريغ الخلية الجلفانية ، زادت فرص تطبيقه في الممارسة العملية. سعة الخلية هي الكمية الإجمالية للكهرباء Q التي يمكن للخلية الجلفانية أن تطلقها أثناء التشغيل (عند التفريغ). يتم تحديد السعة بواسطة كتلة الكواشف المخزنة في الخلية الجلفانية ودرجة تحويلها. مع زيادة تيار التفريغ وانخفاض درجة حرارة التشغيل للعنصر ، خاصة أقل من 0 درجة مئوية ، تنخفض درجة تحويل الكواشف وسعة العنصر.

طاقة الخلية الجلفانية تساوي ناتج السعة والجهد: ΔН = Q.U. العناصر ذات القيمة الكهرومغناطيسية العالية والكتلة المنخفضة والدرجة العالية من تحويل الكواشف تتمتع بأعلى طاقة.

الثبات هو مدة فترة تخزين العنصر ، والتي تظل خلالها خصائصه ضمن المعلمات المحددة. مع زيادة درجة حرارة التخزين وتشغيل العنصر ، ينخفض ​​ثباته.

تكوين الخلية الجلفانية: كقاعدة عامة ، يعمل الزنك والزنك والليثيوم والمغنيسيوم كعوامل اختزال (الأنودات) في الخلايا الجلفانية المحمولة ؛ العوامل المؤكسدة (الكاثودات) هي أكاسيد المنغنيز MnO2 ، النحاس CuO ، الفضة Ag2O ، الكبريت SO2 ، وكذلك الأملاح CuCl2 ، PbCl2 ، FeS والأكسجين O2.

الأكثر ضخامة في العالم هو إنتاج عناصر المنغنيز والزنك Mn-Zn ، والتي تستخدم على نطاق واسع لتشغيل معدات الراديو ، وأجهزة الاتصالات ، ومسجلات الأشرطة ، والمصابيح الكهربائية ، إلخ. يظهر تصميم هذه الخلية الجلفانية في الشكل.

ردود الفعل المولدة للتيار في هذا العنصر هي:

عند الأنود (-): Zn - 2ē → Zn2 + (عمليًا ، تذوب قشرة الزنك في جسم الخلية تدريجيًا) ؛

عند الكاثود (+): 2MnO2 + 2NH4 + + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.

تحدث العمليات التالية أيضًا في الفضاء الإلكتروليتي:

في الأنود Zn2 + + 2NH3 → 2 + ؛

في الكاثود Mn2O3 + H2O → أو 2.

في الشكل الجزيئي ، يمكن تمثيل الجانب الكيميائي لعملية الخلية الجلفانية بالتفاعل الكلي:

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.

رسم تخطيطي لخلية كلفانية:

(-) Zn | Zn (NH3) 2] 2+ ||| MnO2 (С) (+).

إن emf لهذا النظام هو E = 1.25 1.50V.

تتمتع الخلايا الجلفانية التي تحتوي على تركيبة مماثلة من الكواشف في المنحل بالكهرباء القلوية (KOH) بخصائص إخراج أفضل ، ولكنها لا تنطبق في الأجهزة المحمولة بسبب المخاطر البيئية. تتمتع عناصر Ag-Zn من الفضة والزنك بخصائص أكثر إفادة ، لكنها باهظة الثمن ، وبالتالي فهي غير فعالة اقتصاديًا. حاليًا ، يُعرف أكثر من 40 نوعًا مختلفًا من الخلايا الجلفانية المحمولة ، والتي تسمى "البطاريات الجافة" في الحياة اليومية.

2. البطاريات الكهربائية

البطاريات الكهربائية (HIT الثانوية) هي خلايا جلفانية قابلة لإعادة الشحن يمكن إعادة شحنها باستخدام مصدر تيار خارجي (شاحن).

البطاريات هي الأجهزة التي تتراكم فيها (تتراكم) الطاقة الكيميائية في النظام (عملية شحن البطارية) ، تحت تأثير مصدر تيار خارجي ، وعند تشغيل الجهاز (التفريغ) ، تعود الطاقة الكيميائية مرة أخرى تحويلها إلى طاقة كهربائية. وهكذا ، عند الشحن ، تعمل البطارية كمحلل كهربي ، وعند تفريغها تعمل مثل الخلية الجلفانية.

في شكل مبسط ، تتكون البطارية من قطبين (قطبين موجبين وكاثود) وموصل أيوني بينهما - إلكتروليت. تحدث تفاعلات الأكسدة عند الأنود أثناء التفريغ وأثناء الشحن ، وتحدث تفاعلات الاختزال عند الكاثود.

حتى وقت قريب ، ظلت بطاريات الرصاص الحمضية والنيكل والكادميوم والنيكل والحديد الأكثر شيوعًا في روسيا ، وفي ترانسنيستريا أيضًا.

الأقطاب الموجودة فيه عبارة عن حواجز شبكية من الرصاص ، أحدها ممتلئ في المسام بمسحوق أكسيد الرصاص IV - PbO2. يتم توصيل الأقطاب الكهربائية بالكهرباء من خلال فاصل مسامي. يتم وضع البطارية بالكامل في خزان مصنوع من مادة الإيبونيت أو البولي بروبلين.

أثناء تشغيل مثل هذا الجهاز ، تحدث عمليات الإلكترود التالية:

لكن). تفريغ أو تشغيل البطارية كمصدر للطاقة الكهربائية.

عند الأنود: (-) Pb - 2ē → Pb2 + ؛

عند الكاثود: (+) PbO2 + 4H + + 2ē → Pb2 + + 2H2O.

تتفاعل كاتيونات الرصاص المتكونة على الأقطاب الكهربائية مع أنيونات الإلكتروليت مع إطلاق راسب أبيض من كبريتات الرصاص

Pb2 + SO42– = ↓ PbSO4.

رد فعل إجمالي توليد التيار لعملية تفريغ البطارية:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 ↓ + 2H2O ،

ودائرة البطارية العاملة كخلية كلفانية لها الشكل (-) Pb | PbSO4 || PbO2 (+).

يصل الجهد عند أطراف البطارية العاملة إلى قيمة 2.0 2.5V. أثناء تشغيل الجهاز ، يتم استهلاك المنحل بالكهرباء وتتراكم الرواسب في النظام. عندما يصبح تركيز أيونات الهيدروجين النشطة [+ H] حرجًا للتفاعل عند الكاثود ، تتوقف البطارية عن العمل.

ب). شحن أو استعادة الإمكانات الكيميائية للبطارية لتحويلها لاحقًا إلى طاقة كهربائية. للقيام بذلك ، يتم توصيل البطارية بمصدر تيار خارجي بحيث يتم تزويد القطب السالب بطرف "الأنود" ، والقطب الموجب بطرف "الكاثود". في هذه الحالة ، تحت تأثير الجهد الخارجي ، تحدث عمليات عكسية على الأقطاب الكهربائية ، مما يعيدها إلى حالتها الأصلية.

يعيد الرصاص المعدني سطح القطب (-): PbSO4 + 2ē → Pb + SO42 ؛

يملأ أكسيد الرصاص الناتج IV مسام شبكة الرصاص (+): PbSO4 + 2H2O - 2ē → ↓ PbO2 + 4H + + SO42.

تفاعل الاختزال الكلي: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4.

يمكنك تحديد نهاية عملية شحن البطارية بظهور فقاعات غاز فوق أطرافها ("الغليان"). ويرجع ذلك إلى حدوث عمليات جانبية لتقليل كاتيون الهيدروجين وأكسدة الماء مع زيادة الجهد أثناء تقليل الإلكتروليت:

2Н + + 2ē → Н2 ؛ 2Н2О - 4ē → 2 + 2Н2.

تصل كفاءة البطارية إلى 80٪ ويحافظ جهد التشغيل على قيمتها لفترة طويلة.

يمكن حساب emf للبطارية باستخدام المعادلة:

RT α4 (H +) α2 (SO42–)

EE = EE0 + –––– ℓn ––––––––––––– (المواد الصلبة في Comp.

2F α2 (H2O) تؤخذ في الاعتبار).

وتجدر الإشارة إلى أن حامض الكبريتيك المركز (ω (H2SO4)> 30٪) لا يمكن استخدامه في البطارية ، لأن في الوقت نفسه ، تنخفض الموصلية الكهربائية وتزداد قابلية ذوبان الرصاص المعدني. تستخدم بطاريات الرصاص على نطاق واسع في جميع أنواع المركبات والهواتف ومحطات الطاقة. ومع ذلك ، نظرًا للسمية العالية للرصاص ومنتجاته ، تتطلب بطاريات الرصاص تغليفًا مختومًا وأتمتة كاملة لعمليات تشغيلها.

أ) في البطاريات القلوية ، يتكون القطب الموجب من شبكة نيكل مشربة بهلاميد هيدروكسيد النيكل الشبيه بالهلام II Ni (OH) 2 ؛ والسلبية - من الكادميوم أو الحديد. الموصل الأيوني عبارة عن محلول 20٪ من هيدروكسيد البوتاسيوم KOH. إجمالي ردود الفعل المولدة والمولدة للتيار في مثل هذه البطاريات لها الشكل:

2NiOOH + Cd + 2H2O ◄ ====== 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2 ؛ EE0 = 1.45 فولت.

2NiOOH + Fe + 2H2O ◄ ====== 2Ni (OH) 2 + Fe (OH) 2 ؛ EE0 = 1.48 فولت.

تشمل مزايا هذه البطاريات عمرها التشغيلي الطويل (حتى 10 سنوات) والقوة الميكانيكية العالية ، والعيوب هي الكفاءة المنخفضة والجهد التشغيلي. تُستخدم البطاريات القلوية لتشغيل السيارات الكهربائية ، والرافعات ، وقاطرات التعدين الكهربائية ، ومعدات الاتصالات والأجهزة الإلكترونية ، وأجهزة الراديو. تذكر أيضًا أن الكادميوم معدن شديد السمية ، مما يتطلب الامتثال لقواعد السلامة عند التخلص من الأجهزة المستخدمة.

EMF والحالية. يجب أن نتذكر أنه يجب توصيل العناصر التي لها نفس الخصائص بالبطارية. خطة العمل ارسم دوائر مكافئة: دوائر تبديل مقاومة الريوستات دارات تبديل مقياس الجهد مخططات توصيل للخلايا الجلفانية. الاستنتاج من الدوائر والظروف المبنية ، كل دائرة لها قيمة EMF الخاصة بها ؛ في كل دائرة ، يتم تحديدها بطرق مختلفة. إجابات على...

تطور الطلاء الكهربائي في القرنين التاسع عشر والعشرين. لا يزال مفتوحًا إلى حد كبير. يبدو أنه يمكن حلها على أساس إعادة بناء عملية إنشاء إنتاج كلفاني ؛ تتبع مجالات العلوم والتكنولوجيا ، وإنجازاتهم المحددة ، وتدين بتكوينها ؛ النظر في المتطلبات الاجتماعية والاقتصادية لظهور وتطوير الطلاء الكهربائي. ...

التيار أقل مما هو عليه في الطلاء الكهربائي ؛ في الحمامات المصنوعة من الحديد الجلفانوبلاستيك ، لا تتجاوز 10-30 أمبير / م 2 ، بينما تصل كثافة التيار أثناء الكي (الطلاء الكهربائي) إلى 2000-4000 ألف / م 2. يجب أن يكون للطلاء المطلي بالكهرباء هيكل دقيق الحبيبات وسمك موحد في مناطق مختلفة من المنتجات المطلية - النتوءات والفواصل. هذا المطلب مهم بشكل خاص في الطلاء الكهربائي ...

تعتبر الخلايا الجلفانية اليوم واحدة من أكثر الخلايا الكيميائية شيوعًا ، وعلى الرغم من أوجه القصور فيها ، إلا أنها تستخدم بنشاط في الهندسة الكهربائية ويتم تحسينها باستمرار.

مبدأ التشغيل

يبدو أبسط مثال على تشغيل الخلية الجلفانية هكذا. يتم غمر لوحين في وعاء زجاجي بمحلول مائي من حامض الكبريتيك: أحدهما نحاس ، والآخر زنك. يصبحون القطبين الموجب والسالب للعنصر. إذا كانت هذه الأقطاب متصلة بواسطة موصل ، فإن أبسطها سينتج ، وداخل العنصر ، سيتدفق التيار من صفيحة الزنك ، التي لها شحنة سالبة ، إلى اللوحة النحاسية المشحونة إيجابياً. في الدائرة الخارجية ، ستحدث حركة الجسيمات المشحونة في الاتجاه المعاكس.

تحت تأثير التيار ، تتحرك أيونات الهيدروجين وبقايا حمض الكبريتيك في اتجاهات مختلفة. يعطي الهيدروجين شحناته إلى صفيحة النحاس ، وبقايا الحمض إلى الزنك. لذلك سيتم الحفاظ على الجهد عند مشابك العنصر. في نفس الوقت ، سوف تستقر فقاعات الهيدروجين على سطح الصفيحة النحاسية ، مما يضعف تأثير الخلية الجلفانية. يخلق الهيدروجين ، مع معدن الصفيحة ، جهدًا إضافيًا يسمى القوة الدافعة الكهربائية للاستقطاب. اتجاه شحنة هذا المجال الكهرومغناطيسي هو عكس اتجاه شحنة EMF للخلية الجلفانية. تخلق الفقاعات نفسها مقاومة إضافية في العنصر.

العنصر الذي درسناه هو مثال كلاسيكي. في الواقع ، لا يتم استخدام هذه الخلايا الجلفانية ببساطة بسبب الاستقطاب الكبير. لمنع حدوث ذلك ، في تصنيع العناصر ، يتم إدخال مادة خاصة في تركيبتها تمتص ذرات الهيدروجين ، وهو ما يسمى مزيل الاستقطاب. كقاعدة عامة ، هذه مستحضرات تحتوي على الأكسجين أو الكلور.

مزايا وعيوب الخلايا الجلفانية الحديثة

الخلايا الجلفانية الحديثة مصنوعة من مواد مختلفة. النوع الأكثر شيوعًا والأكثر شيوعًا هو خلايا الكربون والزنك المستخدمة في بطاريات الإصبع. تشمل مزاياها الرخص النسبي ، والعيوب هي فترة صلاحية قصيرة وقوة منخفضة.

الخيار الأكثر ملاءمة هو الخلايا الجلفانية القلوية. ويطلق عليهم أيضًا اسم المنغنيز والزنك. هنا ، المنحل بالكهرباء ليس مادة جافة مثل الفحم ، ولكنه محلول قلوي. عند التفريغ ، لا تنبعث هذه العناصر عمليًا من الغاز ، بحيث يمكن إحكام إغلاقها. العمر الافتراضي لهذه العناصر أعلى من الكربون والزنك.

تتشابه عناصر الزئبق في البناء مع العناصر القلوية. يستخدم أكسيد الزئبق هنا. يتم استخدام هذه المصادر الحالية ، على سبيل المثال ، للمعدات الطبية. مزاياها هي مقاومة درجات الحرارة المرتفعة (حتى +50 ، وفي بعض الموديلات حتى +70 درجة مئوية) ، والجهد المستقر ، والقوة الميكانيكية العالية. العيب هو الخصائص السامة للزئبق ، والتي بسببها يجب التعامل مع العناصر المستهلكة بعناية فائقة وإرسالها لإعادة التدوير.

في بعض العناصر ، يتم استخدام أكسيد الفضة في صناعة الكاثودات ، ولكن نظرًا لارتفاع تكلفة المعدن ، فإن استخدامها غير مجدٍ اقتصاديًا. تعد الخلايا التي تحتوي على أنودات الليثيوم أكثر شيوعًا. كما أنها تتميز بتكلفة عالية ، ولكن لديها أعلى جهد بين جميع أنواع الخلايا الجلفانية المدروسة.

نوع آخر من الخلايا الجلفانية هو تركيز الخلايا الجلفانية. في نفوسهم ، يمكن أن تستمر عملية حركة الجسيمات مع أو بدون نقل الأيونات. النوع الأول هو عنصر يتم فيه غمر قطبين متطابقين في تركيزات مختلفة ، مفصولة بقسم شبه منفذ. في مثل هذه العناصر ، تنشأ المجالات الكهرومغناطيسية بسبب حقيقة أن الأيونات تنتقل إلى محلول بتركيز أقل. في عناصر النوع الثاني ، تتكون الأقطاب الكهربائية من معادن مختلفة ، ويتم معادلة التركيز بسبب العمليات الكيميائية التي تحدث على كل من الأقطاب الكهربائية. هذه العناصر أعلى من عناصر النوع الأول.