Galvanikus cella

Daniel-Jacobi galvanikus cella diagramja

Galvanikus cella- két fém és (vagy) oxidjaik kölcsönhatásán alapul egy elektrolitban, ami elektromos áram megjelenéséhez vezet egy zárt áramkörben. Luigi Galvani nevéhez fűződik.

A különböző fémek érintkezésekor fellépő elektromos áram jelenségét Luigi Galvani olasz fiziológus, a Bolognai Egyetem orvosprofesszora fedezte fel 1786-ban. Galvani leírta egy frissen kimetszett béka hátsó lábai izomzatának összehúzódását, amelyet rézkampókra rögzítettek, amikor acélszikével megérintették. A megfigyeléseket a felfedező az "állati elektromosság" megnyilvánulásaként értelmezte.

Elektrokémiai generátorok (üzemanyagcellák) olyan elemek, amelyekben a kémiai energia elektromos energiává alakul. Az oxidálószert és a redukálószert a cellán kívül tárolják, és működés közben folyamatosan és külön-külön juttatják az elektródákhoz. Az üzemanyagcella működése során az elektródák nem fogyasztanak el. A redukálószer hidrogén (H 2), metanol (CH 3 OH), metán (CH 4) folyékony vagy gáz halmazállapotban. Az oxidálószer általában levegő oxigén vagy tiszta oxigén. Egy lúgos elektrolitot tartalmazó oxigén-hidrogén üzemanyagcellában a kémiai energia elektromos energiává alakul. Az űrhajókon erőműveket használnak, ezek szolgáltatják az űrhajókat és az űrhajósokat energiával.

Alkalmazás

• Elemek riasztórendszerben, zseblámpákban, órákban, számológépekben, audiorendszerekben, játékokban, rádiókban, autófelszerelésekben, távirányítókban használatos.
• Elemek személygépkocsik motorjának indítására szolgálnak, a településektől távoli helyeken is lehetőség nyílik ideiglenes áramforrásként való felhasználásra.
• üzemanyagcellák villamos energia előállításához (erőművekben), szükségáramforrásokhoz, autonóm áramellátáshoz, szállításhoz, fedélzeti áramellátáshoz, mobil eszközökhöz használják.

Lásd még

Irodalom

• Akhmetov N.S. Általános és szervetlen kémia
• Aksenovich L. A. Fizika a középiskolában: elmélet. Feladatok.

Linkek

Az Orosz Föderáció Oktatási és Tudományos Minisztériuma

Nemzeti Kutató Nukleáris Egyetem MEPhI

Balakovo Mérnöki és Technológiai Intézet

GALVÁNSEJTEK

Irányelvek

a "kémia" tanfolyamon

az oktatás minden formája

Balakovo 2014

A munka célja: galvánelemek működési elvének tanulmányozása.

ALAPVETŐ FOGALMAK

ELEKTROKÉMIAI FOLYAMATOK AZ INTERFÉSZEN

A fémek kristályrácsainak csomópontjaiban atomok ionjai vannak. Amikor egy fémet oldatba merítünk, a felületi fémionok és a poláris oldószermolekulák bonyolult kölcsönhatása kezdődik. Ennek eredményeként a fém oxidálódik, és hidratált (szolvatált) ionjai oldatba kerülnek, és elektronok maradnak a fémben:

Me + m H 2 O Me (H 2 O) +ne-

A fém negatív töltésű, az oldat pedig pozitív töltésű. Elektrosztatikus vonzalom van azok között, akik átmentek a hidratált kationok és a fémfelület, valamint a fémoldat határfelületén kettős elektromos réteg képződik, amelyet bizonyos potenciálkülönbség jellemez - elektródpotenciál.

Rizs. 1 Dupla elektromos réteg a fém-oldat interfészen

Ezzel a reakcióval együtt a fordított reakció is lezajlik - a fémionok atomokká redukálása.

Me(H2O) +ne
Me + m H 2 O -

Az elektródpotenciál egy bizonyos értékénél egyensúly jön létre:

Me + m H 2 O
Me(H2O) +ne-

Az egyszerűség kedvéért a víz nem szerepel a reakcióegyenletben:

Nekem
én 2+ +ne-

Az elektródreakció egyensúlyi körülményei között kialakult potenciált egyensúlyi elektródpotenciálnak nevezzük.

GALVÁNSEJTEK

Galvanikus cellák- az elektromos energia kémiai forrásai. Ezek olyan rendszerek, amelyek két elektródából (I. típusú vezetők) állnak, amelyeket elektrolitoldatba merítenek (II. típusú vezetők).

A galvánelemekben az elektromos energia a redox folyamatnak köszönhető, feltéve, hogy az oxidációs reakciót az egyik elektródán, a redukciós reakciót a másikon külön hajtják végre. Például, ha a cinket réz-szulfát oldatba merítjük, a cink oxidálódik, és a réz redukálódik.

Zn + CuSO 4 \u003d Cu + ZnSO 4

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

Ezt a reakciót úgy is le lehet vinni, hogy az oxidációs és redukciós folyamatok térben elkülönüljenek egymástól; akkor az elektronok átvitele a redukálószerből az oxidálószerbe nem közvetlenül, hanem elektromos áramkörön keresztül történik. ábrán. A 2. ábra egy Daniel-Jacobi galvánelem diagramját mutatja, az elektródák sóoldatba vannak merítve, és elektromos egyensúlyi állapotban vannak az oldatokkal. A cink, mint aktívabb fém, több iont küld az oldatba, mint a réz, aminek következtében a cinkelektróda a rajta maradó elektronok miatt negatívabban töltődik, mint a réz. Az oldatokat olyan válaszfal választja el, amely elektromos térben csak ionok számára áteresztő. Ha az elektródákat egy vezető (rézhuzal) köti össze egymással, akkor a cinkelektródáról, ahol több van, az elektronok a külső áramkörön keresztül a rézhez áramlanak. Folyamatos elektronáramlás van, elektromosság. Az elektronoknak a cinkelektródáról való távozása következtében a cink-cink ionok formájában kezd oldatba menni, pótolva az elektronvesztést, és ezzel az egyensúly helyreállítására törekszik.

Az elektródát, amelyen az oxidáció megtörténik, anódnak nevezzük. Az elektródát, ahol a redukció megtörténik, katódnak nevezzük.

Anód (-) katód (+)

Rizs. 2. Galvanikus cella diagramja

A réz-cink elem működése során a következő folyamatok mennek végbe:

1) anódos - a cink oxidációjának folyamata Zn 0 - 2e → Zn 2+;

2) katódos - a rézionok redukciójának folyamata Cu 2+ + 2e→Cu 0;

3) az elektronok mozgása a külső áramkör mentén;

4) ionok mozgása az oldatban.

A bal oldali üvegben SO 4 2-anionok hiányoznak, a jobb oldali üvegben pedig feleslegben. Ezért a működő galvánelem belső áramkörében SO 4 2- ionok mozgása megy végbe a jobb oldali üvegből a bal oldali üvegbe a membránon keresztül.

Az elektródreakciókat összegezve a következőket kapjuk:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

Az elektródákon a következő reakciók mennek végbe:

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

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

Zn + CuSO 4 → Cu + ZnSO 4 (teljes reakció)

Egy galvánelem diagramja: (-) Zn/ZnSO 4 | |CuSO 4 /Cu(+)

vagy ionos formában: (-) Zn/Zn 2+ | Cu 2+ /Cu (+), ahol a függőleges sáv jelzi a fém és az oldat közötti határfelületet, és két vonal - a két folyadékfázis közötti határfelület - egy porózus válaszfal (vagy egy elektrolitoldattal töltött összekötő cső).

Maximális elektromos munka (W) egy mól anyag átalakulása során:

W=nF E, (1)

ahol ∆E a galvánelem elektromotoros ereje;

F a Faraday-szám, egyenlő 96500 C-vel;

n a fémion töltése.

A galvánelem elektromotoros ereje a galvánelemet alkotó elektródák közötti potenciálkülönbségként számítható ki:

EMF \u003d E-oxid. - E visszaállítás \u003d E k - E a,

ahol az EMF az elektromotoros erő;

E oxidált. a kevésbé aktív fém elektródpotenciálja;

E restore - az aktívabb fém elektródpotenciálja.

FÉMEK SZABVÁNYOS ELEKTÓD-POTENCIÁLAI

A fémek elektródpotenciáljának abszolút értéke közvetlenül nem határozható meg, de az elektródpotenciálok különbsége meghatározható. Ehhez keresse meg a potenciálkülönbséget a mért elektróda és az elektróda között, amelynek potenciálja ismert. A leggyakrabban használt referenciaelektróda a hidrogénelektróda. Ezért egy galvanikus cella EMF-jét mérik, amely a vizsgált és standard hidrogénelektródából áll, amelynek elektródpotenciálját nullának feltételezzük. A galvanikus cellák sémái egy fém potenciáljának mérésére a következők:

H2, Pt|H+ || Én n + |Én

Mivel a hidrogénelektróda potenciálja feltételesen egyenlő nullával, akkor a mért elem EMF-je egyenlő lesz a fém elektródpotenciáljával.

A fém standard elektródpotenciálja elektródpotenciálnak nevezzük, amely akkor keletkezik, ha egy fémet 1 mol/l koncentrációjú (vagy aktivitású) saját ionjának oldatába merítenek, standard körülmények között, egy standard hidrogénelektródához képest mérve, amelynek potenciálja 25 0 C-on feltételesen nullával egyenlőnek vesszük. A fémeket egy sorba rendezve standard elektródpotenciáljuk (E°) növekedésével kapjuk az úgynevezett feszültségsorokat.

Minél negatívabb a Me/Me n+ rendszer potenciálja, annál aktívabb a fém.

A saját sója oldatába merített fém elektródpotenciálja at szobahőmérséklet, a hasonló ionok koncentrációjától függ, és a Nernst-képlet határozza meg:

, (2)

ahol E 0 a normál (standard) potenciál, V;

R az univerzális gázállandó, egyenlő 8,31 J (mol.K);

F a Faraday-szám;

T - abszolút hőmérséklet, K;

C a fémionok koncentrációja az oldatban, mol/l.

Az R, F, a standard hőmérséklet T = 298 0 K értékét és a természetes logaritmusból (2,303) decimálisra behelyettesítve egy kényelmes képletet kapunk:

(3)

KONCENTRÁCIÓS GALVÁNI ELEMEK

A galvanikus cellák két teljesen azonos elektródából állhatnak, amelyeket ugyanazon elektrolit, de különböző koncentrációjú oldatokba merítenek. Az ilyen elemeket koncentrációnak nevezzük, például:

(-) Ag | AgNO 3 || AgNO3 | Ag(+)

Mindkét elektróda koncentrációs áramkörében az n és az E 0 értéke megegyezik, ezért egy ilyen elem EMF-jének kiszámításához használható

, (4)

ahol C 1 az elektrolit koncentrációja egy hígabb oldatban;

C 2 - elektrolit koncentráció töményebb oldatban

ELEKTROMOS POLARIZÁCIÓ

Az elektródák egyensúlyi potenciálja az áramkörben áram hiányában meghatározható. Polarizáció- az elektróda potenciáljának változása elektromos áram áthaladása során.

E = E i - E p , (5)

ahol E - polarizáció;

E i - elektródpotenciál az elektromos áram áthaladása során;

E p - egyensúlyi potenciál. A polarizáció lehet katódos E K (a katódon) és anódos E A (anódon).

A polarizáció lehet: 1) elektrokémiai; 2) vegyi.

BIZTONSÁGI KÖVETELMÉNYEK

1. A kellemetlen szagú és mérgező anyagokkal végzett kísérleteket füstelszívóban kell végezni.

2. Amikor szagról felismeri a fejlődő gázt, irányítsa a sugarat kézmozdulatokkal az edényből maga felé.

3. A kísérlet végrehajtása során ügyelni kell arra, hogy a reagensek ne kerüljenek az arcra, a ruhákra és a közelben lévő elvtársra.

4. Folyadékok, különösen savak és lúgok melegítésekor tartsa távol magától a csövet a nyílással.

5. A kénsav hígításánál a savhoz vizet nem szabad hozzáadni, a savat óvatosan, kis adagokban hideg vízbe kell önteni, az oldatot keverve.

6. A munka befejezése után alaposan mosson kezet.

7. A savak és lúgok hulladékoldatait ajánlott speciálisan elkészített edényekbe lecsepegtetni.

8. Minden reagenspalackot megfelelő dugóval le kell zárni.

9. A munka után visszamaradt reagenseket nem szabad reagenspalackokba önteni vagy beleönteni (a szennyeződés elkerülése érdekében).

Munkarend

1. Feladat

FÉMEK TEVÉKENYSÉGÉNEK VIZSGÁLATA

Műszerek és reagensek: cink, szemcsés; réz-szulfát CuSO 4, 0,1 N oldat; kémcsövek.

Merítsen egy darab szemcsés cinket 0,1 N réz-szulfát-oldatba. Hagyja állva az állványon, és figyelje, mi történik. Írd fel a reakció egyenletét! Következtetésképpen a következő kísérlethez melyik fém tekinthető anódnak és melyik katódnak!

2. feladat

GALVÁNCELL

Műszerek és reagensek: Zn, Cu -fémek; cink-szulfát, ZnSO 4, 1 M oldat; réz-szulfát CuSO 4, 1 M oldat; kálium-klorid KCl, tömény oldat; galvanométer; szemüveg; U-cső, pamut.

Az egyik főzőpohárba öntsön legfeljebb ¾ térfogat 1 M sóoldatot az anódként szolgáló fémből, a másikba pedig a katódként szolgáló fém azonos térfogatú 1 M sóoldatát. Töltsük meg az U-csövet tömény KCl-oldattal. Zárja le a cső végeit sűrű vattadarabokkal, és engedje le mindkét pohárba, hogy elmerüljenek az elkészített oldatokban. Az egyik üvegben engedje le a fémanód lemezt, a másikban a fémkatód lemezt; szerelje fel a galvanikus cellát galvanométerrel. Zárja le az áramkört, és jelölje meg az áram irányát a galvanométeren.

Készítsen diagramot egy galvánelemről!

Írja fel az adott galvánelem anódján és katódján lezajló reakciók elektronikus egyenleteit! Számítsa ki az emf-t.

3. feladat

AZ ANÓD MEGHATÁROZÁSA A MEGHATÁROZOTT LEMEZKÉSZLETBŐL

Műszerek és reagensek: Zn, Cu, Fe, Al - fémek; cink-szulfát, ZnSO 4, 1 M oldat; réz-szulfát CuSO 4, 1 M oldat; alumínium-szulfát Al 2 (SO 4) 3 1 M oldat; vas-szulfát FeSO 4, 1 M oldat; kálium-klorid KCl, tömény oldat; szemüveg; U-cső, pamut.

Alkossunk galvanikus párokat:

Zn/ZnSO 4 ||FeSO 4 /Fe

Zn/ZnSO 4 || CuSO4/Cu

Al/Al 2 (SO 4) 3 || ZnSO 4 /Zn

Ezeknek a fémeknek a meghatározott lemezkészletéből és sóoldataiból állítsunk össze egy galvánelemet, amelyben a cink lenne a katód (2. feladat).

Állítsa össze az összeszerelt galvánelem anódján és katódján lezajló reakciók elektronikus egyenleteit!

Írja fel a redox reakciót, amely ennek a galvánelemnek a működése mögött áll! Számítsa ki az emf-t.

JELENTÉS TERVEZÉS

A laboratóriumi naplót a laboratóriumi órákon a munkavégzés során töltik ki, és a következőket tartalmazza:

a munka befejezésének dátuma;

a laboratóriumi munka megnevezése és száma;

a kísérlet neve és lebonyolításának célja;

megfigyelések, reakcióegyenletek, műszerséma;

ellenőrző kérdések és feladatok a témában.

ELLENŐRZÉSI FELADATOK

1. Az alábbi reakciók közül melyik lehetséges? Írja fel a reakcióegyenleteket molekuláris formában, alkosson ezekre elektronikus egyenleteket:

Zn(NO 3) 2 + Cu →

Zn(NO 3) 2 + Mg →

2. Készítsen diagramot a galvánelemekről a normál hidrogénelektróddal párosított Al/Al 3+ ,Cu/Cu 2+ elektródpotenciálok meghatározásához.

3. Számítsa ki egy galvánelem EMF-jét!

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

Milyen kémiai folyamatok játszódnak le ennek az elemnek a működése során?

4. A vegytiszta cink alig lép reakcióba sósavval. Amikor ólom-nitrátot adnak a savhoz, részleges hidrogénfejlődés megy végbe. Magyarázza meg ezeket a jelenségeket! Írj egyenleteket a lezajló reakciókra!

5. A réz nikkellel érintkezik és híg kénsavas oldatba merítve, milyen folyamat játszódik le az anódon?

6. Rajzoljon fel egy galvánelem diagramot, amely a következő egyenlet szerint zajló reakción alapul: Ni + Pb (NO 3) 2 \u003d Ni (NO 3) 2 + Pb

7. A sóoldatban lévő mangánelektród potenciálja 1,2313 V. Számítsa ki a Mn 2+ ionok koncentrációját mol / l-ben!

Laboratóriumi munkára szánt idő

Irodalom

Fő

1. Glinka. ON A. Általános kémia: tankönyv. juttatás az egyetemek számára. - M.: Integrál - Nyomda, 2005. - 728 p.

2. Korzhukov N. G. Általános és szervetlen kémia. – M.: MISIS;

INFRA-M, 2004. - 512 p.

További

3. Frolov V.V. Kémia: tankönyv. juttatás az egyetemek számára. - M .: Magasabb. iskola, 2002. -

4. Korovin N.V. Általános kémia: műszaki tankönyv. irány és különleges egyetemek. - M .: Magasabb. iskola, 2002.–559p.: illusztráció.

4. Akhmatov N.S. Általános és szervetlen kémia: tankönyv egyetemek számára. - 4. kiadás, javítva - M .: Vyssh. iskola, 2002. -743 p.

5. Glinka N.A. Feladatok és gyakorlatok az általános kémiából. - M.: Integral-Press, 2001. - 240 p.

6. Metelsky A. V. Kémia kérdésekben és válaszokban: kézikönyv. - Minszk: Bel.En., 2003. - 544 p.

galvanikus cellák

Irányelvek

laboratóriumi munkához

a "kémia" tanfolyamon

műszaki területek és szakok hallgatói számára,

"Általános és szervetlen kémia"

a "Vegytechnológia" irányzat hallgatói számára

az oktatás minden formája

Összeállította: Sinitsyna Irina Nikolaevna

Timosina Nina Mihajlovna

A galvánelem egy kémiai elektromos áramforrás, amely két fém és/vagy oxidjaik elektrolitban való kölcsönhatásán alapul, és Luigi Galvani olasz tudósról nevezték el.

Később a tudós összeállított egy réz-cink cellákból álló akkumulátort, amelyet később Voltaic Pillarnak neveztek (lásd az ábrát). Több tucat cink- és rézbögréből állt, párba hajtva és savval átitatott ruhával elválasztva. Ezt a találmányt később más tudósok is felhasználták kutatásaik során. Így például 1802-ben V. V. Petrov orosz akadémikus egy 2100 cellás óriás akkumulátort tervezett, amely körülbelül 2500 voltos feszültséget hozott létre, és olyan erős elektromos ív előállítására használták, amely olyan magas hőmérsékletet hozott létre, hogy képes megolvasztani a fémeket.

Vannak galvánelemek és egyéb kivitelek is. Tekintsünk egy másik réz-cink galvanikus cellát, amely energiával működik kémiai reakció cink és réz-szulfát oldat között (Jacobi-Daniel elem). Ez az elem egy réz-szulfát-oldatba mártott rézlemezből és egy cink-szulfát-oldatba merített cinklemezből áll (lásd az ábrát). Mindkét oldat érintkezik egymással, de a keveredés elkerülése érdekében porózus anyagból készült membrán válaszfal választja el őket.

A galvánelemek másik típusa az úgynevezett „száraz” mangán-cink Leclanche cellák (lásd az ábrát). Folyékony elektrolit helyett egy ilyen cella gélszerű ammónia és keményítő pasztát használ. Annak érdekében, hogy a nedvesség a lehető legkevésbé elpárologjon, egy ilyen elem tetejét viasszal vagy gyantával töltik meg, és egy kis lyukkal vannak ellátva a gázok távozásához. A Leclanchet elemek jellemzően hengeres csészékben készülnek, amelyek egyidejűleg negatív elektródaként és edényként is szolgálnak.
Minden kémiai áramforrás (galvanikus cellák és akkumulátorok) két csoportra oszlik - elsődleges (eldobható) és másodlagos (újrafelhasználható vagy megfordítható). A primer áramforrásokban (köznyelvben akkumulátorok) a kémiai folyamatok visszafordíthatatlanul mennek végbe, így töltésük nem állítható vissza. Az akkumulátorok másodlagos kémiai áramforrások közé tartoznak, töltésük helyreállítható. A széles körben használt akkumulátorok esetében a töltési-kisütési ciklus körülbelül 1000-szer megismételhető.

Az akkumulátorok különböző feszültségűek és kapacitásúak. Például a hagyományos alkáli elemek névleges feszültsége körülbelül 1,5 V, a modernebb lítium akkumulátorok névleges feszültsége körülbelül 3 V. Az elektromos kapacitás sok tényezőtől függ: az akkumulátor celláinak számától, töltési szinttől, a környezeti hőmérséklet, a lekapcsolási áram (amelynél a készülék a rendelkezésre álló töltéssel sem működik). Például egy akkumulátor, amely már nem működik a fényképezőgépben, gyakran továbbra is működik az órákban vagy a távirányítókban.
Az akkumulátorokban lévő elektromosság (töltés) mennyiségét amperórában mérik. Például, ha egy akkumulátor töltése 1 amperóra, és az általa táplált elektromos eszköz 200 mA-t igényel, akkor az akkumulátor élettartamát a következőképpen számítják ki: 1 Ah / 0,2 A = 5 óra.
A technológiai fejlődésnek köszönhetően megnőtt a miniatűr akkumulátoros készülékek választéka. Sokukhoz nagyobb teljesítményű akkumulátorokra volt szükség, miközben meglehetősen kompaktak voltak. A lítium akkumulátorok válaszként szolgáltak erre az igényre: hosszú élettartam, nagy megbízhatóság és kiváló teljesítmény széles hőmérséklet-tartományban. A mai napig a legfejlettebbek a lítium-ion áramforrások. A technológiában rejlő lehetőségeket még nem tárták fel teljesen, de a közvetlen kilátások hozzá kapcsolódnak.

A technológia terén különösen értékesek a nikkel-kadmium akkumulátorok, amelyeket V. Jungner svéd tudós talált fel még 1899-ben. De a mérnökök csak a 20. század közepén dolgoztak ki egy szinte modern rendszert az ilyen zárt akkumulátorokhoz. Az újratölthető akkumulátorokat kompaktságuk és önállóságuk miatt használják autókban, vonatokban, számítógépekben, telefonokban, fényképezőgépekben, kamerákban, számológépekben stb.
Az akkumulátor fő jellemzői a kapacitása és a maximális áramerőssége. Az akkumulátor kapacitása amperórában megegyezik a határáram és a kisütés időtartamának szorzatával. Például, ha egy akkumulátor 80 mA áramot tud leadni 10 órán keresztül, akkor a kapacitás: 80 mA 10 h = 800 mAh (vagy nemzetközi viszonylatban 800 mAh, lásd az ábrát).

Kuznyecova Alla Viktorovna (Szamara)

1. Galvanikus cella

A galvánelem az elektromos áram kémiai forrása, amelyet Luigi Galvaniról neveztek el. A galvánelem működési elve két fém kölcsönhatásán alapul egy elektroliton keresztül, ami egy zárt áramkörben elektromos áram megjelenéséhez vezet. A galvánelem EMF-je az elektródák anyagától és az elektrolit összetételétől függ. Ezek elsődleges HP-k, amelyek a bennük lezajló reakciók visszafordíthatatlansága miatt nem tölthetők újra.

A galvanikus cellák egyetlen hatású elektromos energia forrásai. A reagensek (oxidálószer és redukálószer) közvetlenül a galvánelem részét képezik, és működése során elfogynak. A galvánelemet az EMF, a feszültség, a teljesítmény, a kapacitás és a külső áramkörnek adott energia, valamint a tartósság és a környezetbiztonság jellemzi.

Az EMF-et a galvánelemben végbemenő folyamatok természete határozza meg. Az U galvánelem feszültsége mindig kisebb, mint az EMF az elektródák polarizációja és az ellenállásveszteségek miatt:

U = Ee – I(r1–r2) – ΔE,

ahol Ee az elem EMF-je; I az áramerősség az elem üzemmódjában; r1 és r2 az I és II típusú vezetékek ellenállása a galváncellában; A ΔЕ a galvánelem polarizációja, amely az elektródák (anód és katód) polarizációjából áll. A polarizáció növekszik az áramsűrűség (i) növekedésével, amelyet az i = I/S képlet határoz meg, ahol S az elektróda keresztmetszete, és a rendszer ellenállásának növekedésével.

A galvánelem működése során az EMF és ennek megfelelően a feszültség fokozatosan csökken a reagensek koncentrációjának csökkenése és az elektródákon a redox folyamatok termékeinek koncentrációjának növekedése miatt (emlékezzünk a Nernst-egyenletre). Azonban minél lassabban csökken a feszültség egy galvánelem kisülése során, annál több lehetőség nyílik a gyakorlati alkalmazására. A cella kapacitása az a Q összes elektromosság, amelyet a galvánelem működés közben (kisütéskor) képes leadni. A kapacitást a galvánelemben tárolt reagensek tömege és átalakulásuk mértéke határozza meg. A kisülési áram növekedésével és az elem üzemi hőmérsékletének csökkenésével, különösen 0°C alá csökken a reagensek átalakulási foka és az elem kapacitása.

A galvánelem energiája megegyezik kapacitásának és feszültségének szorzatával: ΔН = Q.U. A magas EMF értékű, kis tömegű és a reagensek magas fokú átalakulási fokával rendelkező elemek rendelkeznek a legnagyobb energiával.

A perzisztencia egy elem tárolási időszakának időtartama, amely alatt jellemzői a megadott paramétereken belül maradnak. Az elem tárolási és működési hőmérsékletének növekedésével annak tartóssága csökken.

A galvánelem összetétele: általában cink Zn, lítium-lítium, magnézium Mg redukálószerként (anódként) szolgál a hordozható galvánelemekben; oxidálószerek (katódok) a mangán MnO2, réz CuO, ezüst Ag2O, kén-SO2 oxidjai, valamint CuCl2, PbCl2, FeS és oxigén O2 sók.

A világon a legmasszívabb az Mn-Zn mangán-cink elemek gyártása, amelyet széles körben használnak rádióberendezések, kommunikációs eszközök, magnók, zseblámpák stb. Egy ilyen galvánelem kialakítása az ábrán látható.

Az áramot generáló reakciók ebben az elemben a következők:

Az anódnál (–): Zn – 2ē → Zn2+ (a gyakorlatban a sejttest cinkhéja fokozatosan feloldódik);

A katódon (+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.

Az elektrolitikus térben a következő folyamatok is végbemennek:

Az anódon Zn2+ + 2NH3 →2+;

Az Mn2O3 + H2O → vagy 2 katódon.

Molekuláris formában a galvánelem működésének kémiai oldala a teljes reakcióval reprezentálható:

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.

A galvanikus cella diagramja:

(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (С) (+).

Egy ilyen rendszer emf-je E = 1,25 ÷ 1,50 V.

Az alkáli elektrolitban (KOH) hasonló reagens-összetételű galvanikus cellák jobb kimeneti jellemzőkkel rendelkeznek, de a környezeti veszélyek miatt nem alkalmazhatók hordozható eszközökben. Az Ag-Zn ezüst-cink elemek még kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkeznek, de rendkívül drágák, ezért gazdaságilag nem hatékonyak. Jelenleg több mint 40 különböző típusú hordozható galvanikus cella ismert, amelyeket a mindennapi életben "száraz akkumulátornak" neveznek.

2. Elektromos akkumulátorok

Az elektromos akkumulátorok (másodlagos HIT) újratölthető galvanikus cellák, amelyek külső áramforrással (töltővel) újratölthetők.

Az akkumulátorok olyan eszközök, amelyekben külső áramforrás hatására kémiai energia halmozódik fel (halmozódik fel) a rendszerben (az akkumulátor töltési folyamata), majd amikor a készülék működik (kisütés), a kémiai energia ismét elektromos energiává alakítják át. Így töltéskor az akkumulátor elektrolizátorként, kisütéskor pedig galvánelemként működik.

Egyszerűsített formában az akkumulátor két elektródából (anódból és katódból) és egy ionos vezetőből áll - egy elektrolitból. Az oxidációs reakciók az anódon mind kisülés, mind töltés közben, redukciós reakciók pedig a katódon mennek végbe.

A közelmúltig a savas ólom és alkáli nikkel-kadmium és nikkel-vas akkumulátorok továbbra is a legelterjedtebbek Oroszországban és Dnyeszteren túl.

A benne lévő elektródák ólomrácsok, amelyek közül az egyik a pórusokat IV - PbO2 ólom-oxid porral tölti fel. Az elektródák egy porózus szeparátoron keresztül csatlakoznak az elektrolithoz. A teljes akkumulátort ebonitból vagy polipropilénből készült tartályba helyezzük.

Egy ilyen eszköz működése során a következő elektródfolyamatok mennek végbe benne:

DE). Az akkumulátor kisütése vagy működtetése elektromos energiaforrásként.

Az anódnál: (–) Pb – 2ē → Pb2+;

a katódon: (+) PbO2 + 4H+ + 2ē → Pb2+ + 2H2O.

Az elektródákon képződött ólomkationok kölcsönhatásba lépnek az elektrolit anionjaival fehér ólom-szulfát csapadék felszabadulásával

Pb2+ + SO42– = ↓PbSO4.

Az akkumulátor kisütési folyamatának teljes áramfejlesztő reakciója:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4↓ + 2H2O,

a működő akkumulátor áramköre pedig galvánelemként (-) Pb|PbSO4||PbO2 (+).

A működő akkumulátor kivezetésein a feszültség eléri a 2,0 ÷ 2,5 V értéket. A készülék működése során az elektrolit elfogy, az üledék felhalmozódik a rendszerben. Amikor az aktív hidrogénionok koncentrációja [H+] kritikussá válik a katód reakciója szempontjából, az akkumulátor leáll.

B). Az akkumulátor kémiai potenciáljának feltöltése vagy helyreállítása az azt követő elektromos energiává történő átalakuláshoz. Ehhez az akkumulátort külső áramforráshoz kell csatlakoztatni oly módon, hogy az "anód" kivezetésére egy negatív pólus, a "katód" kivezetésre pedig egy pozitív pólus kerül. Ebben az esetben külső feszültség hatására az elektródákon fordított folyamatok mennek végbe, visszaállítva őket eredeti állapotukba.

A fémes ólom helyreállítja az elektróda felületét (–): PbSO4 + 2ē → Pb + SO42;

A keletkező IV ólom-oxid kitölti az ólomrács (+) pórusait: PbSO4 + 2H2O – 2ē → ↓PbO2 + 4H+ + SO42.

Teljes redukciós reakció: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4.

Az akkumulátor töltési folyamatának végét úgy határozhatja meg, hogy gázbuborékok jelennek meg a kapcsai felett ("forr"). Ennek oka a hidrogén-kation redukciója és a víz oxidációja, az elektrolit redukciója során a feszültség növekedésével járó mellékfolyamatok:

2Н+ + 2ē → Н2; 2Н2О – 4ē → О2 + 2Н2.

Az akkumulátor hatásfoka eléri a 80%-ot, az üzemi feszültség pedig hosszú ideig megőrzi értékét.

Az akkumulátor emf a következő egyenlettel számítható ki:

RT α4(H+) α2(SO42–)

EE = EE0 + –––– ℓn –––––––––––––– (szilárd anyagok a Comp.

2F α2(H2O) figyelembe veszik).

Megjegyzendő, hogy tömény kénsav (ω(H2SO4) > 30%) nem használható az akkumulátorban, mert ugyanakkor csökken az elektromos vezetőképessége és nő a fémes ólom oldhatósága. Az ólom akkumulátorokat széles körben használják minden típusú járműben, telefonban és erőműben. Az ólom és termékei magas toxicitása miatt azonban az ólom akkumulátorok zárt csomagolást és működési folyamataik teljes automatizálását igénylik.

A) Az alkáli elemekben a pozitív elektróda nikkelrácsból készül, amelyet gélszerű II Ni (OH) 2 nikkel-hidroxiddal impregnáltak; és negatív - kadmiumból vagy vasból. Az ionvezető kálium-hidroxid KOH 20%-os oldata. Az ilyen akkumulátorokban a teljes áramfejlesztő és generáló reakció a következőképpen alakul:

2NiOOH + Cd + 2H2O ◄====== 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2; EE0 = 1,45 V.

2NiOOH + Fe + 2H2O ◄====== 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2; EE0 = 1,48 V.

Ezen akkumulátorok előnyei közé tartozik a hosszú élettartam (akár 10 év) és a nagy mechanikai szilárdság, hátrányuk pedig az alacsony hatásfok és az üzemi feszültség. Az alkáli elemeket elektromos autók, rakodók, bányászati ​​elektromos mozdonyok, kommunikációs és elektronikus berendezések, valamint rádiók táplálására használják. Emlékeztetni kell arra is, hogy a kadmium erősen mérgező fém, amely megköveteli a biztonsági szabályok betartását a használt eszközök megsemmisítésekor.

EMF és áram. Emlékeztetni kell arra, hogy az azonos jellemzőkkel rendelkező elemeket az akkumulátorhoz kell csatlakoztatni. Munkaterv Egyenértékű áramkörök felrajzolása: Reosztát kapcsoló áramkörök Potenciométer kapcsolóáramkörök Kapcsolási rajzok galvánelemekhez. Következtetés A felépített áramkörök és feltételek alapján minden áramkörnek megvan a maga EMF értéke, amelyet minden áramkörön különböző módon határoznak meg. Válaszok a...

A galvanizálás fejlődése a XIX-XX században. nagyrészt nyitva marad. Úgy tűnik, hogy a galvángyártás létrehozásának folyamatának rekonstrukciója alapján megoldható; annak nyomon követése, hogy a tudomány és a technológia mely területei, azok konkrét eredményei tartoznak a formálódáshoz; a galvanizálás megjelenésének és fejlődésének társadalmi-gazdasági előfeltételeinek figyelembevétele. ...

Az áram alacsonyabb, mint a galvanizálásnál; vas galvanoplasztikus fürdőben nem haladja meg a 10-30 A/m2-t, míg vasalás (galvanizálás) során az áramsűrűség eléri a 2000-4000 A/m2-t. A galvanizált bevonatoknak finomszemcsés szerkezetűnek és egyenletes vastagságúnak kell lenniük a bevont termékek különböző területein - kiemelkedéseken és bemélyedésekben. Ez a követelmény különösen fontos a galvanizálásnál...

Manapság a galvánelemek az egyik legelterjedtebb kémiai cella, hiányosságaik ellenére aktívan használják az elektrotechnikában és folyamatosan fejlesztik.

Működési elve

A galvánelem működésének legegyszerűbb példája így néz ki. Két tányért merítünk egy üvegedénybe kénsav vizes oldatával: az egyik réz, a másik cink. Ezek az elem pozitív és negatív pólusaivá válnak. Ha ezeket a pólusokat egy vezető köti össze, akkor a legegyszerűbb válik ki, az elem belsejében az áram a negatív töltésű horganylemezről a pozitív töltésű rézlemezre folyik. A külső áramkörben a töltött részecskék mozgása az ellenkező irányba történik.

Az áram hatására a hidrogénionok és a kénsav savmaradéka különböző irányokba fog elmozdulni. A hidrogén a töltést a rézlemeznek, a savmaradékot pedig a cinknek adja. Így a feszültség megmarad az elem bilincseinél. Ugyanakkor a rézlemez felületén hidrogénbuborékok rakódnak le, ami gyengíti a galvánelem hatását. A hidrogén a lemez fémével együtt további feszültséget hoz létre, amelyet a polarizációs elektromotoros erőnek nevezünk. Ennek az EMF-nek az iránya ellentétes a galvánelem EMF töltésének irányával. Maguk a buborékok további ellenállást keltenek az elemben.

Az általunk vizsgált elem egy klasszikus példa. A valóságban az ilyen galvánelemeket egyszerűen nem használják a nagy polarizáció miatt. Ennek megakadályozása érdekében az elemek gyártása során egy speciális anyagot vezetnek be az összetételükbe, amely elnyeli a hidrogénatomokat, amelyet depolarizátornak neveznek. Ezek általában oxigént vagy klórt tartalmazó készítmények.

A modern galvanikus cellák előnyei és hátrányai

A modern galvanikus cellák különböző anyagokból készülnek. A legelterjedtebb és legismertebb típus az ujjelemekben használt szén-cink cellák. Előnyük a relatív olcsóság, hátrányuk a rövid eltarthatóság és az alacsony teljesítmény.

Kényelmesebb lehetőség az alkáli galvánelemek. Mangán-cinknek is nevezik. Itt az elektrolit nem száraz anyag, például szén, hanem lúgos oldat. Kisütéskor az ilyen elemek gyakorlatilag nem bocsátanak ki gázt, így lezárhatók. Az ilyen elemek eltarthatósága magasabb, mint a szén-cink elemeké.

A higanyelemek felépítésükben hasonlóak a lúgos elemekhez. Itt higany-oxidot használnak. Ilyen áramforrásokat használnak például orvosi berendezésekhez. Előnyük a magas hőmérséklettel szembeni ellenállás (+50, egyes modelleknél akár +70 ˚С), stabil feszültség, nagy mechanikai szilárdság. Hátránya a higany toxikus tulajdonságai, ami miatt az elhasznált elemeket nagyon óvatosan kell kezelni és újrahasznosításra küldeni.

Egyes elemekben ezüst-oxidot használnak katódok készítésére, de a fém magas ára miatt ezek felhasználása gazdaságilag nem kifizetődő. A lítium anóddal ellátott cellák gyakoribbak. Magas költségük is megkülönbözteti őket, de a galvanikus cellák összes figyelembe vett típusa közül a legmagasabb feszültséggel rendelkeznek.

A galvanikus cellák másik típusa a koncentrált galvanikus cellák. Ezekben a részecskemozgás folyamata iontranszferrel vagy anélkül is végbemehet. Az első típus egy olyan elem, amelyben két azonos elektródát merítenek különböző koncentrációban, félig áteresztő válaszfallal elválasztva. Az ilyen elemekben az EMF annak a ténynek köszönhető, hogy az ionokat alacsonyabb koncentrációjú oldatba juttatják. A második típusú elemekben az elektródák különböző fémekből készülnek, és a koncentráció kiegyenlítődik az egyes elektródákon előforduló kémiai folyamatok miatt. ezek az elemek magasabbak, mint az első típus elemei.