Galvanický článok

Schéma galvanického článku od Daniela-Jacobiho

Galvanický článok- založené na interakcii dvoch kovov a (alebo) ich oxidov v elektrolyte, čo vedie k vzniku elektrického prúdu v uzavretom okruhu. Pomenovaný po Luigim Galvanim.

Fenomén výskytu elektrického prúdu pri kontakte rôznych kovov objavil taliansky fyziológ, profesor medicíny na Bolonskej univerzite Luigi Galvani v roku 1786. Galvani opísal sťahy svalov zadných nôh čerstvo vypreparovanej žaby pripevnenej na medených háčikoch pri dotyku oceľovým skalpelom. Pozorovania interpretoval objaviteľ ako prejav „živočíšnej elektriny“.

Elektrochemické generátory (palivové články) sú prvky, v ktorých sa chemická energia premieňa na elektrickú energiu. Oxidačné činidlo a redukčné činidlo sú uložené mimo článku a počas prevádzky sú nepretržite a oddelene dodávané k elektródam. Počas prevádzky palivového článku sa elektródy nespotrebúvajú. Redukčným činidlom je vodík (H 2), metanol (CH 3 OH), metán (CH 4) v kvapalnom alebo plynnom stave. Oxidačným činidlom je zvyčajne vzdušný kyslík alebo čistý kyslík. V kyslíkovo-vodíkovom palivovom článku s alkalickým elektrolytom sa chemická energia premieňa na elektrickú energiu. Na kozmických lodiach sa používajú elektrárne, ktoré dodávajú energiu kozmickej lodi a astronautom.

Aplikácia

• Batérie používané v poplašnom systéme, baterky, hodiny, kalkulačky, audio systémy, hračky, rádiá, auto zariadenia, diaľkové ovládače.
• Batérie slúžia na štartovanie motorov automobilov, je možné ich využiť aj ako dočasné zdroje elektrickej energie na miestach vzdialených od sídiel.
• palivové články sa používajú pri výrobe elektrickej energie (v elektrárňach), núdzové zdroje energie, autonómne napájanie, doprava, palubné napájanie, mobilné zariadenia.

pozri tiež

Literatúra

• Achmetov N.S. Všeobecná a anorganická chémia
• Aksenovič L. A. Fyzika na strednej škole: teória. Úlohy.

Odkazy

Ministerstvo školstva a vedy Ruskej federácie

Národná výskumná jadrová univerzita MEPhI

Inžiniersky a technologický inštitút v Balakove

GALVANICKÉ ČLÁNKY

Smernice

na kurze "chémia"

všetky formy vzdelávania

Balakovo 2014

Účel práce: študovať princíp činnosti galvanických článkov.

ZÁKLADNÉ POJMY

ELEKTROCHEMICKÉ PROCESY NA ROZHRANÍ

V uzloch kryštálových mriežok kovov sú ióny atómov. Keď je kov ponorený do roztoku, začína sa komplexná interakcia povrchových kovových iónov s molekulami polárneho rozpúšťadla. Výsledkom je, že kov je oxidovaný a jeho hydratované (solvatované) ióny prechádzajú do roztoku, pričom v kove zostávajú elektróny:

Me + m H2O Me (H2O) +ne-

Kov je nabitý záporne a roztok je nabitý kladne. Medzi tými, ktorí prešli, je elektrostatická príťažlivosť kvapalina hydratovanými katiónmi a povrchom kovu a na rozhraní kov-roztok vzniká dvojitá elektrická vrstva, charakterizovaná určitým rozdielom potenciálov - elektródový potenciál.

Ryža. 1 Dvojitá elektrická vrstva na rozhraní kov-roztok

Spolu s touto reakciou prebieha reverzná reakcia - redukcia kovových iónov na atómy.

Ja (H2O) +ne
Ja + m H20 -

Pri určitej hodnote elektródového potenciálu sa vytvorí rovnováha:

Me + m H20
Ja (H2O) +ne-

Pre jednoduchosť nie je v reakčnej rovnici zahrnutá voda:

ja
Ja 2+ +ne-

Potenciál vytvorený v podmienkach rovnováhy elektródovej reakcie sa nazýva rovnovážny elektródový potenciál.

GALVANICKÉ ČLÁNKY

Galvanické články- chemické zdroje elektrickej energie. Sú to systémy pozostávajúce z dvoch elektród (vodiče typu I) ponorených do roztokov elektrolytov (vodiče typu II).

Elektrická energia v galvanických článkoch sa získava redoxným procesom za predpokladu, že oxidačná reakcia prebieha oddelene na jednej elektróde a redukčná reakcia na druhej. Napríklad, keď sa zinok ponorí do roztoku síranu meďnatého, zinok sa oxiduje a meď sa redukuje.

Zn + CuSO4 \u003d Cu + ZnSO4

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

Túto reakciu je možné uskutočniť tak, že procesy oxidácie a redukcie sú priestorovo oddelené; potom k prenosu elektrónov z redukčného činidla na oxidačné činidlo nedôjde priamo, ale cez elektrický obvod. Na obr. 2 je znázornená schéma Daniel-Jacobiho galvanického článku, elektródy sú ponorené do soľných roztokov a sú v stave elektrickej rovnováhy s roztokmi. Zinok, ako aktívnejší kov, posiela do roztoku viac iónov ako meď, v dôsledku čoho je zinková elektróda v dôsledku zostávajúcich elektrónov nabitá zápornejšie ako medená. Roztoky sú oddelené prepážkou, ktorá je priepustná iba pre ióny v elektrickom poli. Ak sú elektródy navzájom spojené vodičom (medeným drôtom), tak elektróny zo zinkovej elektródy, kde ich je viac, budú prúdiť vonkajším obvodom do medeného. Existuje nepretržitý tok elektrónov - elektriny. V dôsledku odchodu elektrónov zo zinkovej elektródy začína Zn prechádzať do roztoku vo forme iónov, čím kompenzuje stratu elektrónov a tým sa snaží obnoviť rovnováhu.

Elektróda, na ktorej dochádza k oxidácii, sa nazýva anóda. Elektróda, kde prebieha redukcia, sa nazýva katóda.

Anóda (-) Katóda (+)

Ryža. 2. Schéma galvanického článku

Počas prevádzky prvku medi a zinku sa vyskytujú tieto procesy:

1) anodický - proces oxidácie zinku Zn 0 - 2e → Zn 2+;

2) katodický - proces redukcie iónov medi Cu 2+ + 2e→Cu 0;

3) pohyb elektrónov pozdĺž vonkajšieho okruhu;

4) pohyb iónov v roztoku.

V ľavom pohári je nedostatok aniónov SO 4 2- a v pravom je prebytok. Preto vo vnútornom okruhu pracovného galvanického článku dochádza k pohybu iónov SO 4 2- z pravého skla do ľavého skla cez membránu.

Zhrnutím elektródových reakcií dostaneme:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

Na elektródach prebiehajú tieto reakcie:

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

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

Zn + CuSO 4 → Cu + ZnSO 4 (celková reakcia)

Schéma galvanického článku: (-) Zn/ZnSO 4 | | CuS04 /Cu(+)

alebo v iónovej forme: (-) Zn/Zn 2+ | Cu 2+ /Cu (+), kde zvislá čiara označuje rozhranie medzi kovom a roztokom a dve čiary - rozhranie medzi dvoma kvapalnými fázami - porézna prepážka (alebo spojovacia trubica naplnená roztokom elektrolytu).

Maximálna elektrická práca (W) pri premene jedného mólu látky:

W=nF E, (1)

kde ∆E je elektromotorická sila galvanického článku;

F je Faradayovo číslo, ktoré sa rovná 96500 C;

n je náboj kovového iónu.

Elektromotorickú silu galvanického článku možno vypočítať ako potenciálny rozdiel medzi elektródami, ktoré tvoria galvanický článok:

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

kde EMF je elektromotorická sila;

E oxidované. je elektródový potenciál menej aktívneho kovu;

E restore - elektródový potenciál aktívnejšieho kovu.

ŠTANDARDNÉ ELEKTRODOVÉ POTENCIÁLY KOVOV

Absolútne hodnoty elektródových potenciálov kovov nemožno určiť priamo, ale je možné určiť rozdiel v elektródových potenciáloch. Za týmto účelom nájdite potenciálny rozdiel medzi meranou elektródou a elektródou, ktorej potenciál je známy. Najčastejšie používanou referenčnou elektródou je vodíková elektróda. Preto sa meria EMF galvanického článku, zloženého zo skúmanej a štandardnej vodíkovej elektródy, ktorej elektródový potenciál sa považuje za nulový. Schémy galvanických článkov na meranie potenciálu kovu sú nasledovné:

H2, Pt|H+ || Ja n + | Ja

Pretože potenciál vodíkovej elektródy je podmienene rovný nule, potom sa EMF meraného prvku bude rovnať elektródovému potenciálu kovu.

Štandardný elektródový potenciál kovu nazývaný jeho elektródový potenciál, ktorý nastáva, keď je kov ponorený do roztoku vlastného iónu s koncentráciou (alebo aktivitou) rovnou 1 mol/l, za štandardných podmienok, merané v porovnaní so štandardnou vodíkovou elektródou, ktorej potenciál pri 25 0 C sa podmienečne rovná nule. Usporiadaním kovov v rade, keď sa ich štandardné elektródové potenciály (E°) zvyšujú, získame takzvaný napäťový rad.

Čím negatívnejší je potenciál systému Me/Me n+, tým je kov aktívnejší.

Elektródový potenciál kovu ponoreného do roztoku vlastnej soli pri izbová teplota, závisí od koncentrácie podobných iónov a je určená Nernstovým vzorcom:

, (2)

kde E 0 je normálny (štandardný) potenciál, V;

R je univerzálna plynová konštanta rovná 8,31 J (mol.K);

F je Faradayovo číslo;

T - absolútna teplota, K;

C je koncentrácia kovových iónov v roztoku, mol/l.

Nahradením hodnôt R, F, štandardnej teploty T = 298 0 K a prevodného faktora z prirodzených logaritmov (2,303) na desatinné dostaneme vzorec vhodný na použitie:

(3)

KONCENTRÁCIA GALVANICKÉ PRVKY

Galvanické články môžu byť zložené z dvoch úplne identických elektród ponorených do roztokov rovnakého elektrolytu, ale rôznych koncentrácií. Takéto prvky sa nazývajú koncentrácia, napríklad:

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

V koncentračných obvodoch pre obe elektródy sú hodnoty n a E 0 rovnaké, preto na výpočet EMF takéhoto prvku možno použiť

, (4)

kde C1 je koncentrácia elektrolytu v zriedenejšom roztoku;

C 2 - koncentrácia elektrolytu v koncentrovanejšom roztoku

POLARIZÁCIA ELEKTRÓD

Rovnovážne potenciály elektród je možné určiť v neprítomnosti prúdu v obvode. Polarizácia- zmena potenciálu elektródy pri prechode elektrického prúdu.

E = E i - E p , (5)

kde E - polarizácia;

E i - elektródový potenciál pri prechode elektrického prúdu;

E p - rovnovážny potenciál. Polarizácia môže byť katódová E K (na katóde) a anódová E A (na anóde).

Polarizácia môže byť: 1) elektrochemická; 2) chemický.

BEZPEČNOSTNÉ POŽIADAVKY

1. Pokusy s nepríjemne zapáchajúcimi a toxickými látkami je potrebné vykonávať v digestore.

2. Keď rozpoznáte uvoľnený plyn podľa čuchu, nasmerujte prúd pohybu rúk z nádoby smerom k sebe.

3. Pri vykonávaní experimentu je potrebné zabezpečiť, aby sa činidlá nedostali na tvár, oblečenie a blízkeho kamaráta.

4. Pri ohrievaní kvapalín, najmä kyselín a zásad, držte trubicu otvorom od seba.

5. Pri riedení kyseliny sírovej by sa do kyseliny nemala pridávať voda, ale kyselina by sa mala opatrne nalievať v malých dávkach do studenej vody a roztok miešať.

6. Po skončení práce si dôkladne umyte ruky.

7. Odpadové roztoky kyselín a zásad odporúčame vypustiť do špeciálne pripraveného riadu.

8. Všetky reagenčné fľaše musia byť uzavreté vhodnými zátkami.

9. Činidlá, ktoré zostali po práci, by sa nemali nalievať ani nalievať do fliaš s činidlami (aby sa predišlo kontaminácii).

Zákazka

Cvičenie 1

ŠTÚDIE ČINNOSTI KOVOV

Nástroje a činidlá: zinok, granulovaný; síran meďnatý CuSO4, 0,1 N roztok; skúmavky.

Ponorte kúsok granulovaného zinku do 0,1 N roztoku síranu meďnatého. Nechajte ho stáť na statíve a sledujte, čo sa stane. Napíšte rovnicu reakcie. Urobte záver, ktorý kov môže byť použitý ako anóda a ktorý ako katóda pre ďalší experiment.

Úloha 2

GALVANICKÝ ČLÁNOK

Prístroje a činidlá: Zn, Cu -kovy; síran zinočnatý, ZnS04, 1 M roztok; síran meďnatý CuSO4, 1 M roztok; chlorid draselný KCl, koncentrovaný roztok; galvanometer; okuliare; U-rúrka, bavlna.

Do jednej kadičky nalejte až ¾ objemu 1 M roztoku soli kovu, ktorý je anódou, a do druhej - rovnaký objem 1 M roztoku soli kovu, ktorý je katódou. Naplňte U-skúmavku koncentrovaným roztokom KCl. Zatvorte konce trubice hustými kúskami vaty a spustite ich do oboch pohárov tak, aby boli ponorené do pripravených roztokov. V jednom pohári spustite kovovú anódovú platňu, v druhom kovovú katódovú platňu; namontujte galvanický článok s galvanometrom. Zatvorte obvod a označte smer prúdu na galvanometri.

Vytvorte schému galvanického článku.

Napíšte elektronické rovnice pre reakcie prebiehajúce na anóde a katóde daného galvanického článku. Vypočítajte emf.

Úloha 3

URČENIE ANÓDY Z URČENEJ SÚPRAVY PLATNÍK

Prístroje a činidlá: Zn, Cu, Fe, Al - kovy; síran zinočnatý, ZnS04, 1 M roztok; síran meďnatý CuSO4, 1 M roztok; síran hlinitý Al 2 (SO 4) 3 1 M roztok; síran železnatý FeSO4, 1 M roztok; chlorid draselný KCl, koncentrovaný roztok; okuliare; U-rúrka, bavlna.

Zostavte galvanické páry:

Zn/ZnSO 4 ||FeSO 4 /Fe

Zn/ZnSO 4 || CuSO4/Cu

Al/Al 2 (SO 4) 3 || ZnS04/Zn

Z určenej sady dosiek a roztokov solí týchto kovov zostavte galvanický článok, v ktorom by bol zinok katódou (úloha 2).

Zostavte elektronické rovnice pre reakcie prebiehajúce na anóde a katóde zostaveného galvanického článku.

Napíšte redoxnú reakciu, ktorá je základom činnosti tohto galvanického článku. Vypočítajte emf.

NÁVRH SPRÁVY

Laboratórny denník sa vypĺňa počas laboratórnych hodín počas vykonávania práce a obsahuje:

dátum dokončenia práce;

názov laboratórnej práce a jej číslo;

názov experimentu a účel jeho vykonania;

pozorovania, reakčné rovnice, schéma prístroja;

kontrolné otázky a úlohy k téme.

KONTROLNÉ ÚLOHY

1. Ktoré z nasledujúcich reakcií sú možné? Napíšte reakčné rovnice v molekulárnej forme, zostavte pre ne elektronické rovnice:

Zn(NO 3) 2 + Cu →

Zn(N03)2 + Mg →

2. Vytvorte diagram galvanických článkov na určenie normálnych elektródových potenciálov Al/Al 3+ ,Cu/Cu 2+ spárovaných s normálnou vodíkovou elektródou.

3. Vypočítajte EMP galvanického článku

Zn/ZnS04 (1M)| |CuSO 4 (2M)

Aké chemické procesy prebiehajú počas fungovania tohto prvku?

4. Chemicky čistý zinok takmer nereaguje s kyselinou chlorovodíkovou. Keď sa do kyseliny pridá dusičnan olovnatý, dochádza k čiastočnému vývoju vodíka. Vysvetlite tieto javy. Napíšte rovnice pre reakcie, ktoré prebiehajú.

5. Meď je v kontakte s niklom a je ponorená do zriedeného roztoku kyseliny sírovej, aký proces prebieha na anóde?

6. Nakreslite schému galvanického článku, ktorá vychádza z reakcie prebiehajúcej podľa rovnice: Ni + Pb (NO 3) 2 \u003d Ni (NO 3) 2 + Pb

7. Mangánová elektróda v soľnom roztoku má potenciál 1,2313 V. Vypočítajte koncentráciu iónov Mn 2+ v mol / l.

Čas vyhradený na prácu v laboratóriu

Literatúra

Hlavná

1. Glinka. NA. Všeobecná chémia: učebnica. príspevok pre vysoké školy. - M.: Integral - Press, 2005. - 728 s.

2. Korzhukov N. G. Všeobecná a anorganická chémia. – M.: MISIS;

INFRA-M, 2004. - 512 s.

Dodatočné

3. Frolov V.V. Chémia: učebnica. príspevok pre vysoké školy. - M .: Vyššie. škola, 2002. -

4. Korovin N.V. Všeobecná chémia: učebnica pre tech. smer a špeciálne univerzity. - M .: Vyššie. škola, 2002.–559s.: ilustrácia.

4. Achmatov N.S. Všeobecná a anorganická chémia: učebnica pre vysoké školy. - 4. vydanie, opravené - M .: Vyssh. škola, 2002. -743 s.

5. Glinka N.A. Úlohy a cvičenia zo všeobecnej chémie. - M.: Integral-Press, 2001. - 240 s.

6. Metelsky A. V. Chémia v otázkach a odpovediach: referenčná kniha. - Minsk: Bel.En., 2003. - 544 s.

galvanické články

Smernice

pre laboratórne práce

na kurze "chémia"

pre študentov technických odborov a špecialít,

"Všeobecná a anorganická chémia"

pre študentov odboru "Chemická technológia"

všetky formy vzdelávania

Zostavila: Sinitsyna Irina Nikolaevna

Timoshina Nina Mikhailovna

Galvanický článok je chemický zdroj elektrického prúdu založený na interakcii dvoch kovov a/alebo ich oxidov v elektrolyte, pomenovaný podľa talianskeho vedca Luigiho Galvaniho.

Neskôr vedec zostavil batériu medeno-zinkových článkov, ktorá bola neskôr nazvaná Voltaický stĺp (pozri obrázok). Pozostával z niekoľkých desiatok zinkových a medených hrnčekov, poskladaných do párov a oddelených látkou namočenou v kyseline. Tento vynález následne využili ďalší vedci vo svojom výskume. Napríklad v roku 1802 ruský akademik V.V. Petrov navrhol obrovskú batériu s 2100 článkami, ktorá vytvorila napätie asi 2500 voltov a použila sa na výrobu silného elektrického oblúka, ktorý vytvoril takú vysokú teplotu, že dokázal roztaviť kovy.

Existujú galvanické články a iné prevedenia. Zvážte iný meď-zinkový galvanický článok, ale poháňaný energiou chemická reakcia medzi zinkom a roztokom síranu meďnatého (prvok Jacobi-Daniel). Tento prvok pozostáva z medenej dosky ponorenej do roztoku síranu meďnatého a zinkovej dosky ponorenej do roztoku síranu zinočnatého (pozri obrázok). Oba roztoky sú vo vzájomnom kontakte, ale aby sa zabránilo zmiešaniu, sú oddelené membránovou prepážkou vyrobenou z porézneho materiálu.

Ďalším typom galvanických článkov sú takzvané „suché“ mangánovo-zinkové Leclancheove články (pozri obrázok). Namiesto tekutého elektrolytu takýto článok používa gélovitú pastu z amoniaku a škrobu. Aby sa vlhkosť odparovala čo najmenej, vrch takéhoto prvku je naplnený voskom alebo živicou s malým otvorom na únik plynov. Typicky sa prvky Leclanchet vyrábajú vo valcových pohároch, ktoré súčasne slúžia ako záporná elektróda aj ako nádoba.
Všetky chemické zdroje prúdu (galvanické články a batérie z nich) sú rozdelené do dvoch skupín - primárne (jednorazové) a sekundárne (opakovane použiteľné alebo reverzibilné). V primárnych zdrojoch prúdu (hovorovo batérie) prebiehajú chemické procesy nevratne, takže ich náboj nemožno obnoviť. Batérie sú klasifikované ako sekundárne chemické zdroje prúdu, ich nabitie je možné obnoviť. Pri široko používaných batériách sa môže cyklus nabíjania a vybíjania opakovať asi 1000-krát.

Batérie majú rôzne napätia a kapacity. Napríklad tradičné alkalické batérie majú menovité napätie približne 1,5 V a modernejšie lítiové batérie majú menovité napätie približne 3 V. Elektrická kapacita závisí od mnohých faktorov: počet článkov v batérii, úroveň nabitia, napätie batérie je približne 3 V. okolitá teplota, vypínací prúd (pri ktorom zariadenie nepracuje ani pri dostupnom nabití). Napríklad batéria, ktorá už nefunguje vo fotoaparáte, často funguje aj v hodinkách alebo diaľkových ovládačoch.
Množstvo elektriny (nabitia) v batériách sa meria v ampérhodinách. Napríklad, ak má batéria nabitie 1 ampérhodinu a elektrické zariadenie, ktoré napája, vyžaduje 200 mA, potom sa životnosť batérie vypočíta takto: 1 Ah / 0,2 A = 5 hodín.
Vďaka technologickému pokroku sa zvýšila rozmanitosť miniatúrnych zariadení napájaných batériami. Pre mnohé z nich boli potrebné výkonnejšie batérie, pričom boli pomerne kompaktné. Lítiové batérie sú odpoveďou na túto potrebu: dlhá životnosť, vysoká spoľahlivosť a vynikajúci výkon v širokom rozsahu teplôt. K dnešnému dňu sú najpokročilejšie lítium-iónové zdroje energie. Potenciál tejto technológie ešte nie je úplne odhalený, ale sú s nimi spojené bezprostredné vyhliadky.

Mimoriadnu hodnotu v technológii majú nikel-kadmiové batérie, vynájdené už v roku 1899 švédskym vedcom V. Jungnerom. Ale až v polovici 20. storočia inžinieri prišli s takmer modernou schémou pre takéto uzavreté batérie. Vďaka svojej kompaktnosti a autonómii sa nabíjateľné batérie používajú v autách, vlakoch, počítačoch, telefónoch, fotoaparátoch, videokamerách, kalkulačkách atď.
Hlavnými charakteristikami batérie sú jej kapacita a maximálny prúd. Kapacita batérie v ampérhodinách sa rovná súčinu obmedzujúceho prúdu a trvania vybíjania. Napríklad, ak batéria dokáže dodávať prúd 80 mA po dobu 10 hodín, potom je kapacita: 80 mA 10 h = 800 mAh (alebo, v medzinárodnom meradle, 800 mAh, pozri obrázok).

Kuznecovová Alla Viktorovna (Samara)

1. Galvanický článok

Galvanický článok je chemický zdroj elektrického prúdu pomenovaný po Luigi Galvani. Princíp činnosti galvanického článku je založený na interakcii dvoch kovov prostredníctvom elektrolytu, čo vedie k vzniku elektrického prúdu v uzavretom okruhu. EMF galvanického článku závisí od materiálu elektród a zloženia elektrolytu. Ide o primárne HP, ktoré vzhľadom na nezvratnosť reakcií v nich prebiehajúcich nie je možné dobíjať.

Galvanické články sú zdrojom jednočinnej elektrickej energie. Činidlá (oxidačné činidlo a redukčné činidlo) sú priamo súčasťou galvanického článku a pri jeho činnosti sa spotrebúvajú. Galvanický článok je charakterizovaný EMF, napätím, výkonom, kapacitou a energiou privádzanou do vonkajšieho okruhu, ako aj stálosťou a environmentálnou bezpečnosťou.

EMF je určená povahou procesov vyskytujúcich sa v galvanickom článku. Napätie galvanického článku U je vždy menšie ako jeho EMF kvôli polarizácii elektród a stratám odporu:

U = Ee – I(r1–r2) – ΔE,

kde Ee je EMF prvku; I je sila prúdu v prevádzkovom režime prvku; r1 a r2 sú odpory vodičov typu I a II vo vnútri galvanického článku; ΔЕ je polarizácia galvanického článku, ktorá je tvorená polarizáciami jeho elektród (anódy a katódy). Polarizácia sa zvyšuje so zvyšujúcou sa hustotou prúdu (i), určená vzorcom i = I/S, kde S je plocha prierezu elektródy, a so zvyšujúcim sa odporom systému.

Počas prevádzky galvanického článku sa jeho EMF a tým aj napätie postupne znižujú v dôsledku poklesu koncentrácie činidiel a zvýšenia koncentrácie produktov redoxných procesov na elektródach (pripomeňme si Nernstovu rovnicu). Čím pomalšie však napätie pri vybíjaní galvanického článku klesá, tým viac príležitostí na jeho uplatnenie v praxi. Kapacita článku je celkové množstvo elektriny Q, ktoré je galvanický článok schopný vydať počas prevádzky (pri vybíjaní). Kapacita je určená hmotnosťou reagencií uložených v galvanickom článku a stupňom ich premeny. So zvýšením vybíjacieho prúdu a znížením pracovnej teploty prvku, najmä pod 0 °C, sa znižuje stupeň premeny činidiel a kapacita prvku.

Energia galvanického článku sa rovná súčinu jeho kapacity a napätia: ΔН = Q.U. Najvyššiu energiu majú prvky s vysokou hodnotou EMF, nízkou hmotnosťou a vysokým stupňom premeny činidiel.

Perzistencia je doba skladovania prvku, počas ktorej jeho vlastnosti zostávajú v rámci špecifikovaných parametrov. So zvyšovaním teploty skladovania a prevádzky prvku sa jeho trvácnosť znižuje.

Zloženie galvanického článku: ako redukčné činidlá (anódy) v prenosných galvanických článkoch spravidla slúžia zinok Zn, lítium Li, horčík Mg; oxidačné činidlá (katódy) sú oxidy mangánu MnO2, medi CuO, striebra Ag2O, síry SO2, ako aj solí CuCl2, PbCl2, FeS a kyslíka O2.

Najmasívnejšia na svete je výroba mangánovo-zinkových prvkov Mn-Zn, široko používaných na napájanie rádiových zariadení, komunikačných zariadení, magnetofónov, bateriek atď. Konštrukcia takéhoto galvanického článku je znázornená na obrázku.

Reakcie generujúce prúd v tomto prvku sú:

Na anóde (–): Zn – 2ē → Zn2+ (v praxi sa postupne rozpúšťa zinkový obal tela bunky);

Na katóde (+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.

V elektrolytickom priestore prebiehajú aj tieto procesy:

Na anóde Zn2+ + 2NH3 →2+;

Na katóde Mn2O3 + H2O → alebo 2.

V molekulárnej forme môže byť chemická stránka činnosti galvanického článku reprezentovaná celkovou reakciou:

Zn + 2Mn02 + 2NH4Cl -> Cl2 + 2.

Schéma galvanického článku:

(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (С) (+).

EMF takéhoto systému je E = 1,25 ÷ 1,50 V.

Galvanické články s podobným zložením činidiel v alkalickom elektrolyte (KOH) majú lepšie výstupné charakteristiky, ale nie sú použiteľné v prenosných zariadeniach z dôvodu ohrozenia životného prostredia. Strieborno-zinkové prvky Ag-Zn majú ešte priaznivejšie vlastnosti, sú však mimoriadne drahé, a preto ekonomicky neefektívne. V súčasnosti je známych viac ako 40 rôznych typov prenosných galvanických článkov, ktoré sa v každodennom živote nazývajú „suché batérie“.

2. Elektrické batérie

Elektrické batérie (sekundárne HIT) sú dobíjacie galvanické články, ktoré je možné dobíjať pomocou externého zdroja prúdu (nabíjačky).

Batérie sú zariadenia, v ktorých sa vplyvom vonkajšieho zdroja prúdu akumuluje (akumuluje) chemická energia v systéme (proces nabíjania batérie) a potom, keď je zariadenie v prevádzke (vybíja sa), chemická energia je opäť premenená na elektrickú energiu. Batéria teda pri nabíjaní funguje ako elektrolyzér a pri vybíjaní ako galvanický článok.

V zjednodušenej forme sa batéria skladá z dvoch elektród (anódy a katódy) a medzi nimi iónového vodiča – elektrolytu. Oxidačné reakcie prebiehajú na anóde počas vybíjania aj počas nabíjania a redukčné reakcie prebiehajú na katóde.

Kyslé olovené a alkalické nikel-kadmiové a nikel-železné batérie zostali donedávna najbežnejšími v Rusku a tiež v Podnestersku.

Elektródy v ňom sú olovené mriežky, z ktorých jedna je vyplnená v póroch práškom oxidu olovnatého IV - PbO2. Elektródy sú pripojené k elektrolytu cez porézny separátor. Celá batéria je umiestnená v nádrži vyrobenej z ebonitu alebo polypropylénu.

Počas prevádzky takéhoto zariadenia sa v ňom vyskytujú tieto elektródové procesy:

ALE). Vybíjanie alebo prevádzka batérie ako zdroja elektrickej energie.

Na anóde: (–) Pb – 2ē → Pb2+;

na katóde: (+) PbO2 + 4H+ + 2ē → Pb2+ + 2H2O.

Katióny olova vytvorené na elektródach interagujú s aniónmi elektrolytu za uvoľnenia bielej zrazeniny síranu olovnatého

Pb2+ + SO42– = ↓PbSO4.

Celková prúdová reakcia procesu vybíjania batérie:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4↓ + 2H2O,

a obvod pracovnej batérie ako galvanický článok má tvar (-) Pb|PbSO4||PbO2 (+).

Napätie na svorkách pracovnej batérie dosahuje hodnotu 2,0 ÷ 2,5V. Počas prevádzky zariadenia sa spotrebúva elektrolyt a v systéme sa hromadí sediment. Keď sa koncentrácia aktívnych vodíkových iónov [H+] stane kritickou pre reakciu na katóde, batéria prestane fungovať.

B). Nabíjanie alebo obnovenie chemického potenciálu batérie pre jej následnú premenu na elektrickú energiu. Na tento účel je batéria pripojená k externému zdroju prúdu tak, že záporný pól sa privádza na svorku „anódy“ a kladný pól na svorku „katóda“. V tomto prípade pri pôsobení vonkajšieho napätia dochádza na elektródach k reverzným procesom, ktoré ich vracajú do pôvodného stavu.

Kovové olovo obnovuje povrch elektródy (–): PbSO4 + 2ē → Pb + SO42;

Výsledný oxid olovnatý IV vypĺňa póry olovenej mriežky (+): PbSO4 + 2H2O – 2ē → ↓PbO2 + 4H+ + SO42.

Celková redukčná reakcia: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + Pb02 + 2H2SO4.

Koniec procesu nabíjania batérie môžete určiť podľa objavenia sa plynových bublín nad jej svorkami („varenie“). Je to spôsobené výskytom vedľajších procesov redukcie vodíkových katiónov a oxidácie vody so zvýšením napätia počas redukcie elektrolytu:

2Н+ + 2ē → Н2; 2Н2О – 4ē → О2 + 2Н2.

Účinnosť batérie dosahuje 80% a prevádzkové napätie si dlhodobo udržuje svoju hodnotu.

EMF batérie možno vypočítať pomocou rovnice:

RT α4(H+) α2(SO42–)

EE = EE0 + –––– ℓn –––––––––––––– (pevné látky v komp.

2F α2(H2O) sa berú do úvahy).

Je potrebné poznamenať, že v batérii nemožno použiť koncentrovanú kyselinu sírovú (ω(H2SO4) > 30 %), pretože zároveň klesá jeho elektrická vodivosť a zvyšuje sa rozpustnosť kovového olova. Olovené batérie sú široko používané vo všetkých typoch vozidiel, telefónov a elektrární. Kvôli vysokej toxicite olova a jeho produktov však olovené batérie vyžadujú uzavreté balenie a plnú automatizáciu ich prevádzkových procesov.

A) V alkalických batériách je kladná elektróda vyrobená z niklovej mriežky impregnovanej gélovitým hydroxidom nikelnatým II Ni (OH) 2; a negatívne - z kadmia alebo železa. Iónovým vodičom je 20% roztok hydroxidu draselného KOH. Celkové reakcie generujúce a generujúce prúd v takýchto batériách majú tvar:

2NiOOH + Cd + 2H20 ◄====== 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2; EE0 = 1,45 V.

2NiOOH + Fe + 2H20 ◄====== 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2; EE0 = 1,48 V.

Medzi výhody týchto batérií patrí ich dlhá životnosť (až 10 rokov) a vysoká mechanická pevnosť a nevýhodou nízka účinnosť a prevádzkové napätie. Alkalické batérie sa používajú na napájanie elektromobilov, nakladačov, banských elektrických lokomotív, komunikačných a elektronických zariadení a rádií. Pripomeňme tiež, že kadmium je vysoko toxický kov, ktorý vyžaduje dodržiavanie bezpečnostných pravidiel pri likvidácii použitých zariadení.

EMF a prúd. Je potrebné pamätať na to, že k batérii musia byť pripojené prvky s rovnakými vlastnosťami. Pracovný plán Nakreslite ekvivalentné obvody: Obvody spínania reostatov Obvody spínania potenciometrov Schémy zapojenia galvanických článkov. Záver Zo zostrojených obvodov a podmienok má každý obvod svoju vlastnú hodnotu EMF, na každom obvode je určená rôznymi spôsobmi. Odpovede na...

Vývoj galvanického pokovovania v XIX - XX storočia. zostáva do značnej miery otvorená. Zdá sa, že sa to dá vyriešiť na základe rekonštrukcie procesu vytvárania galvanickej výroby; sledovanie toho, ktoré oblasti vedy a techniky, ich konkrétne úspechy, vďačí za svoje formovanie; zohľadnenie sociálno-ekonomických predpokladov pre vznik a rozvoj galvanizácie. ...

Prúd je nižší ako pri galvanickom pokovovaní; v železných galvanoplastických kúpeľoch nepresahuje 10–30 A/m2, pričom pri žehlení (galvanoplastike) dosahuje prúdová hustota 2000–4000 A/m2. Galvanicky pokovované povlaky musia mať jemnozrnnú štruktúru a rovnomernú hrúbku v rôznych oblastiach natieraných výrobkov - výstupky a vybrania. Táto požiadavka je obzvlášť dôležitá pri galvanickom pokovovaní...

Dnes sú galvanické články jedným z najbežnejších chemických článkov.Napriek svojim nedostatkom sa aktívne používajú v elektrotechnike a neustále sa zdokonaľujú.

Princíp fungovania

Najjednoduchší príklad fungovania galvanického článku vyzerá takto. Dve dosky sú ponorené do sklenenej nádoby s vodným roztokom kyseliny sírovej: jedna je meď, druhá je zinok. Stávajú sa pozitívnymi a negatívnymi pólmi živlu. Ak sú tieto póly spojené vodičom, vyjde ten najjednoduchší.Vnútri prvku prúdi prúd zo zinkovej platne, ktorá má záporný náboj, na medenú platňu, ktorá je nabitá kladne. Vo vonkajšom okruhu bude pohyb nabitých častíc prebiehať v opačnom smere.

Pri pôsobení prúdu sa vodíkové ióny a kyslý zvyšok kyseliny sírovej budú pohybovať rôznymi smermi. Vodík dodá svoje náboje medenej doske a zvyšok kyseliny - zinku. Takže napätie bude udržiavané na svorkách prvku. Zároveň sa na povrchu medenej dosky budú usadzovať vodíkové bubliny, ktoré oslabia účinok galvanického článku. Vodík vytvára spolu s kovom dosky dodatočné napätie, ktoré sa nazýva elektromotorická sila polarizácie. Smer náboja tohto EMF je opačný ako smer náboja EMF galvanického článku. Samotné bubliny vytvárajú dodatočný odpor v prvku.

Prvok, ktorý sme uvažovali, je klasickým príkladom. V skutočnosti sa takéto galvanické články jednoducho nepoužívajú kvôli veľkej polarizácii. Aby sa tomu zabránilo, pri výrobe prvkov sa do ich zloženia zavádza špeciálna látka, ktorá absorbuje atómy vodíka, ktorá sa nazýva depolarizátor. Spravidla ide o prípravky s obsahom kyslíka alebo chlóru.

Výhody a nevýhody moderných galvanických článkov

Moderné galvanické články sú vyrobené z rôznych materiálov. Najbežnejším a najznámejším typom sú uhlíkovo-zinkové články používané v prstových batériách. Medzi ich výhody patrí relatívna lacnosť, nevýhodami krátka trvanlivosť a nízky výkon.

Pohodlnejšou možnosťou sú alkalické galvanické články. Nazývajú sa aj mangán-zinok. Elektrolytom tu nie je suchá látka ako uhlie, ale alkalický roztok. Pri vybíjaní takéto prvky prakticky neuvoľňujú plyn, takže môžu byť utesnené. Skladovateľnosť takýchto prvkov je vyššia ako u uhlíkovo-zinkových.

Ortuťové prvky sú svojou konštrukciou podobné alkalickým prvkom. Používa sa tu oxid ortuťový. Takéto prúdové zdroje sa používajú napríklad pre medicínske zariadenia. Ich výhodou je odolnosť voči vysokým teplotám (do +50 a v niektorých modeloch až +70 ˚С), stabilné napätie, vysoká mechanická pevnosť. Nevýhodou sú toxické vlastnosti ortuti, kvôli ktorým sa musí s použitými prvkami veľmi opatrne nakladať a posielať ich na recykláciu.

V niektorých prvkoch sa oxid strieborný používa na výrobu katód, ale kvôli vysokej cene kovu nie je ich použitie ekonomicky výhodné. Častejšie sú články s lítiovými anódami. Vyznačujú sa tiež vysokou cenou, ale majú najvyššie napätie medzi všetkými uvažovanými typmi galvanických článkov.

Ďalším typom galvanických článkov sú koncentračné galvanické články. V nich môže proces pohybu častíc prebiehať s prenosom iónov alebo bez neho. Prvý typ je prvok, v ktorom sú dve rovnaké elektródy ponorené v rôznych koncentráciách, oddelené polopriepustnou prepážkou. V takýchto prvkoch EMF vzniká v dôsledku skutočnosti, že ióny sa prenášajú do roztoku s nižšou koncentráciou. V prvkoch druhého typu sú elektródy vyrobené z rôznych kovov a koncentrácia je vyrovnaná v dôsledku chemických procesov, ktoré sa vyskytujú na každej z elektród. tieto prvky sú vyššie ako prvky prvého typu.