Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Балаковский инженерно-технологический институт

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Методические указания

по курсу « Химия»

всех форм обучения

Балаково 2014

Цель работы: изучить принцип работы гальванических элементов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ

В узлах кристаллических решеток металлов расположены ионы атомов. При погружении металла в раствор начинается сложное взаимодействие поверхностных ионов металла с полярными молекулами растворителя. В результате происходит окисление металла, и его гидратированные (сольватированные) ионы переходят в раствор, оставляя в металле электроны:

Ме + m H 2 O Me(H 2 O)+ ne -

Металл заряжается отрицательно, а раствор - положительно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла и на границе металл-раствор образуется двойной электрический слой, характеризующийся определенной разностью потенциалов -электродным потенциалом.

Рис. 1 Двойной электрический слой на границе раздела металл - раствор

Наряду с этой реакцией протекает обратная реакция - восстановление ионов металла до атомов.

Me(H 2 O)+ ne
Ме + m H 2 O -

При некотором значении электродного потенциала устанавливается равновесие:

Ме + m H 2 O
Me(H 2 O)+ ne -

Для упрощения воду в уравнение реакции не включают:

Ме
Me 2+ +ne -

Потенциал, устанавливающийся в условиях равновесия электродной реакции, называется равновесным электродным потенциалом.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Гальванические элементы – химические источники электрической энергии. Они представляют собой системы, состоящие из двух электродов (проводниковIрода), погруженных в растворы электролитов (проводниковIIрода).

Электрическая энергия в гальванических элементах получается за счет окислительно-восстановительного процесса при условии раздельного проведения реакции окисления на одном электроде и реакции восстановления на другом. Например, при погружении цинка в раствор сульфата меди цинк окисляется, а медь восстанавливается

Zn + CuSO 4 = Cu + ZnSO 4

Zn 0 +Cu 2+ =Cu 0 +Zn 2+

Можно провести эту реакцию так, чтобы процессы окисления и восстановления были пространственно разделены; тогда переход электронов от восстановителя к окислителю будет происходить не непосредственно, а через электрическую цепь. На рис. 2 представлена схема гальванического элемента Даниэля-Якоби, электроды погружены в растворы солей и находятся в состоянии электрического равновесия с растворами. Цинк, как более активный металл, посылает в раствор больше ионов, чем медь, в результате чего цинковый электрод за счет остающихся на нем электронов заряжается более отрицательно, чем медный. Растворы разделены перегородкой, проницаемой только для ионов, находящихся в электрическом поле. Если электроды соединить между собой проводником (медной проволокой), то электроны с цинкового электрода, где их больше, будут по внешней цепи перетекать на медный. Возникает непрерывный поток электронов - электрический ток. В результате ухода электронов с цинкового электрода Znцинк начинает переходить в раствор в виде ионов, восполняя убыль электронов и стремясь тем самым восстановить равновесие.

Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом.

Анод (-) Катод (+)

Рис. 2. Схема гальванического элемента

При работе медно-цинкового элемента протекают следующие процессы:

1) анодный – процесс окисления цинка Zn 0 – 2e→Zn 2+ ;

2) катодный – процесс восстановления ионов меди Cu 2+ + 2e→Cu 0 ;

3) движение электронов по внешней цепи;

4) движение ионов в растворе.

В левом стакане - недостаток анионов SO 4 2- , а в правом – избыток. Поэтому во внутренней цепи работающего гальванического элемента наблюдается перемещение ионов SO 4 2- из правого стакана в левый через мембрану.

Суммируя электродные реакции, получаем:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

На электродах протекают реакции:

Zn+SO 4 2- →Zn 2+ +SO 4 2- + 2e(анод)

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

Zn + CuSO 4 → Cu + ZnSO 4 (суммарная реакция)

Схема гальванического элемента: (-) Zn/ZnSO 4 | |CuSO 4 /Cu(+)

или в ионном виде: (-) Zn/Zn 2+ | |Cu 2+ /Cu(+), где вертикальная черта обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две черты - границу раздела двух жидких фаз - пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита).

Максимальная электрическая работа (W) при превращении одного моля вещества:

W=nF E, (1)

где ∆E- ЭДС гальванического элемента;

F- число Фарадея, равное 96500 Кл;

n- заряд иона металла.

Электродвижущая сила гальванического элемента, может быть рассчитана как разность потенциалов электродов, составляющих гальванический элемент:

ЭДС= Е окис. – Е восст = Е к – Е а,

где ЭДС- электродвижущая сила;

Е окисл. – электродный потенциал менее активного металла;

Е восст - электродный потенциал более активного металла.

СТАНДАРТНЫЕ ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ МЕТАЛЛОВ

Абсолютные значения электродных потенциалов металлов непосредственно определить невозможно, но можно определить разность электродных потенциалов. Для этого находят разность потенциалов измеряемого электрода и электрода, потенциал которого известен. Наиболее часто в качестве электрода сравнения принято использовать водородный электрод. Поэтому измеряют ЭДС гальванического элемента, составленного из исследуемого и стандартного водородного электрода, электродный потенциал которого принимают равным нулю. Схемы гальванических элементов для измерения потенциала металла таковы:

Н 2, Pt|H + || Мe n + |Me

Т. к. потенциал водородного электрода, условно равен нулю, то ЭДС измеряемого элемента будет равна электродному потенциалу металла.

Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью) , равной 1 моль/л, при стандартных условиях, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25 0 С условно принимается равным нулю. Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов (Е°), получаем так называемый ряд напряжений.

Чем более отрицательное значение имеет потенциал системы Ме/Ме n+ , тем активнее металл.

Электродный потенциал металла, опущенного в раствор собственной соли при комнатной температуре, зависит от концентрации одноименных ионов и определяется по формуле Нернста:

, (2)

где E 0 – нормальный (стандартный) потенциал, В;

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31Дж(моль.К);

F– число Фарадея;

Т - абсолютная температура, К;

С - концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Подставляя значения R, F, стандартное температуры Т=298 0 К и множитель перехода от натуральных логарифмов (2,303)к десятичным, получают удобную для применения формулу:

(3)

КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Гальванические элементы могут быть составлены из двух совершенно одинаковых по природе электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, но различной концентрации. Такие элементы называются концентрационными, например:

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

В концентрационных цепях для обоих электродов величины n и E 0 одинаковы, поэтому для расчета ЭДС такого элемента можно использовать

, (4)

где С 1 – концентрация электролита в более разбавленном растворе;

С 2 - концентрация электролита в более концентрированном растворе

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОДОВ

Равновесные потенциалы электродов могут быть определены в условиях отсутствия в цепи тока. Поляризация - изменение потенциала электрода при прохождении электрического тока.

Е = Е i - Е p , (5)

где Е - поляризация;

Е i - потенциал электрода при прохождении электрического тока;

Е p - равновесный потенциал. Поляризация может быть катодной Е К (на катоде) и анодной Е A (на аноде).

Поляризация может быть:1) электрохимическая; 2) химическая.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. Опыты с неприятно пахнущими и ядовитыми веществами проводятся обязательно в вытяжном шкафу.

2. При распознавании выделяющегося газа по запаху следует направлять струю движениями руки от сосуда к себе.

3. Выполняя опыт, необходимо следить за тем, чтобы реактивы не попали на лицо, одежду и рядом стоящего товарища.

4. При нагревании жидкости, особенно кислот и щелочей, держать пробирку отверстием в сторону от себя.

5. При разбавлении серной кислоты нельзя приливать воду к кислоте, следует вливать кислоту осторожно, небольшими порциями в холодную воду, перемешивая раствор.

6. По окончании работы следует тщательно вымыть руки.

7. Отработанные растворы кислот и щелочей рекомендуется сливать в специально приготовленную посуду.

8. Все склянки с реактивами необходимо закрывать соответствующими пробками.

9. Оставшиеся после работы реактивы не следует выливать или высыпать в реактивные склянки (во избежание загрязнения).

Порядок выполнения работы

Задание 1

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Приборы и реактивы: цинк, гранулированный; сульфат меди CuSO 4 , 0,1 н раствор; пробирки.

Кусочек гранулированного цинка опустите в 0,1 н раствор сульфата меди. Оставьте стоять спокойно в штативе и наблюдайте происходящее. Составьте уравнение реакции. Сделайте вывод, какой металл можно взять в качестве анода и какой - в качестве катода для следующего опыта.

Задание 2

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Приборы и реактивы: Zn, Cu –металлы; сульфат цинка,ZnSO 4 , 1 М раствор; сульфат меди CuSO 4 , 1 М раствор; хлорид калия КCl, концентрированный раствор; гальванометр; стаканы; U- образная трубка, вата.

В один стакан налейте до ¾ объема 1М раствора соли металла, являющегося анодом, а в другой - такой же объем 1 М раствора соли металла, являющегося катодом. Заполните U- образную трубку концентрированным раствором КCl. Концы трубки закройте плотными кусочками ваты и опустите в оба стакана так, чтобы они погрузились в приготовленные растворы. В один стакан опустите пластинку металл- анод, в другую- пластинку металл- катод; смонтируйте гальванический элемент с гальванометром. Замкните цепь и отметьте по гальванометру направление тока.

Составьте схему гальванического элемента.

Напишите электронные уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде данного гальванического элемента. Вычислите ЭДС.

Задание 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АНОДА ИЗ УКАЗАННОГО НАБОРА ПЛАСТИНОК

Приборы и реактивы: Zn, Cu, Fe, Al –металлы; сульфат цинка,ZnSO 4 , 1 М раствор; сульфат меди CuSO 4 , 1 М раствор; сульфат алюминияAl 2 (SO 4) 3 1 М раствор; сульфат железаFeSO 4 , 1 М раствор; хлорид калия КCl, концентрированный раствор; стаканы; U- образная трубка, вата.

Составьте гальванические пары:

Zn/ZnSO 4 ||FeSO 4 /Fe

Zn / ZnSO 4 || CuSO 4 / Cu

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

Из указанного набора пластинок и растворов солей этих металлов соберите гальванический элемент, в котором цинк являлся бы катодом (задание 2).

Составьте электронные уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде собранного гальванического элемента.

Напишите окислительно-восстановительную реакцию, которая лежит в основе работы данного гальванического элемента. Вычислите ЭДС.

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Лабораторный журнал заполняется в ходе лабораторных занятий по мере выполнения работы и содержит:

дату выполнения работы;

название лабораторной работы и ее номер;

название опыта и цель его проведения;

наблюдения, уравнения реакций, схему прибора;

контрольные вопросы и задачи по теме.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

1.Какие из указанных ниже реакций возможны? Написать уравнения реакций в молекулярном виде, составить для них электронные уравнения:

Zn(NO 3) 2 + Cu →

Zn(NO 3) 2 + Mg →

2. Составьте схемы гальванических элементов для определения нормальных электродных потенциалов Al/Al 3+ ,Cu/Cu 2+ в паре с нормальным водородным электродом.

3. Вычислите ЭДС гальванического элемента

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

Какие химические процессы протекают при работе этого элемента?

4. Химически чистый цинк почти не реагирует с соляной кислотой. При добавлении к кислоте нитрата свинца происходит частичное выделение водорода. Объясните эти явления. Составьте уравнения происходящих реакций.

5. Медь находится в контакте с никелем и опущена в разбавленный раствор серной кислоты, какой процесс происходит на аноде?

6. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению: Ni+Pb(NO 3) 2 =Ni(NO 3) 2 +Pb

7. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал 1,2313 В. Вычислите концентрацию ионов Mn 2+ в моль/л.

Время, отведенное на лабораторную работу

Литература

Основная

1. Глинка. Н.А. Общая химия: учеб. пособие для вузов. – М.:Интеграл – Пресс, 2005. – 728 с.

2. Коржуков Н. Г. Общая и неорганическая химия. – М.: МИСИС;

ИНФРА–М, 2004. – 512 с.

Дополнительная

3.Фролов В.В. Химия: учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. шк., 2002. –

4. Коровин Н.В.. Общая химия: учебник для техн. направл. и спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2002.–559с.: ил..

4. Ахматов Н.С. Общая и неорганическая химия: учебник для вузов. – 4-е изд., исправл.- М.: Высш. шк., 2002. –743 с.

5. Глинка Н.А. Задания и упражнения по общей химии. – М.: Интеграл –Пресс, 2001. – 240 с.

6. Метельский А. В. Химия в вопросах и ответах: справочник. – Мн.: Бел.Эн., 2003. – 544 с

гальванические элементы

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

по курсу « Химия»

для студентов технических направлений и специальностей,

«Общая и неорганическая химия»

для студентов направления «Химическая технология»

всех форм обучения

Составили: Синицына Ирина Николаевна

Тимошина Нина Михайловна

Гальванические элементы. Гальванические элементы являются первичными химическими источниками тока (ХИТ), в которых используются необратимые процессы преобразования химической энергии в электрическую. Они широко применяются в качестве источников питания постоянным током малогабаритной и переносной радиоаппаратуры.

При параллельном соединении элементов емкость батареи равна сумме емкостей элементов, входящих в нее, а при последовательном соединении – наименьшей емкости элемента, входящего в нее.

Емкость элемент а – количество электричества, отдаваемое элементом при разряде и определяемое в ампер-часах.

Широко применяются марганцово-цинковые элементы и ртутно-цинковые.

Аккумуляторы. Аккумуляторы, как и гальванические элементы, относятся к устройствам непосредственного преобразования химической энергии в электрическую. В отличие от гальванических элементов аккумуляторы способны восстанавливать свою работоспособность по отдаче электрической энергии приемникам путем их заряда от постороннего источника электрической энергии. Поэтому аккумулятором называют прибор многократного действия, способный накапливать и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию. Он является вторичным химическим источником тока. Запас химической энергии в нем создается во время заряда от постороннего источника. Во время заряда аккумулятора материалы, входящие в его состав, преобразуются в такое состояние, при котором они могут вступать между собой в химическую реакцию с выделением электрической энергии. Таким образом, аккумуляторы накапливают электрическую энергию при их заряде и расходуют ее при разряде.

Аккумуляторы характеризуются следующими основными параметрами.

ЭДС аккумулятора Е, которая зависит от состава активной массы пластин, от температуры и концентрации (плотности) электролита. Измерение ЭДС аккумулятора производится вольтметром с большим входным сопротивлением (больше 1000 Ом/В). Поскольку ЭДС заряженного и частично разряженного аккумулятора может быть одинаковой, то по значению ЭДС судить о степени разряженности аккумулятора нельзя.

Напряжение аккумулятора – разность потенциалов между положительной и отрицательной пластинами при включенной нагрузке. Напряжение при заряде U З = Е + I З r 0 , а при разряде U Р = Е - I Р r 0 ,

где I З, I Р – токи заряда, разряда в А; r 0 – внутреннее сопротивление аккумулятора, Ом (оно определяется конструкцией электродов, плотностью электролита, степенью разряженности аккумулятора, окружающей температурой).

Номинальная емкость аккумулятора – это количество электричества в Ач, которое он может отдать при десятичасовом режиме разряда, неизменном токе и температуре электролита +25 о С. Величина тока 10-часового режима разряда равна частному от деления номинальной емкости (С 10) на 10.

Аккумуляторы способны саморазряжаться , т.е. уменьшать свою емкость при разомкнутой цепи нагрузки. Интенсивность саморазряда зависит от температуры окружающей среды, состава электролита и материала электродов.

В зависимости от состава электролита аккумуляторы бывают кислотными и щелочными.

Кислотные аккумуляторы . В корпусе (из эбонита или пластмассы) помещаются положительные и отрицательные электроды, смонтированные в блоки. Активной массой положительной пластины является двуокись свинца (РвО 2), а отрицательной – свинец (Рв). Электролитом является водный раствор серной кислоты. Номинальное напряжение кислотного аккумулятора равно 2,0 В. При заряде напряжение доводится до 2,6 – 2,8 В. В начале разряда напряжение быстро снижается до 2,2 В. Следует помнить, что разряжать кислотный аккумулятор ниже 1,8 В нельзя, так как в этом случае на отрицательных пластинах образуется трудно растворимый белый налет (происходит сульфатация аккумулятора). Для предохранения аккумулятора от сульфатации его рекомендуется заряжать каждые 30 дней, независимо от оставшейся емкости.

Недостатки кислотных аккумуляторов: сложность ухода и небольшая прочность, повышенная чувствительность к коротким замыканиям и перегрузкам, нельзя их помещать внутри РЭУ (испарения портят детали).

Промышленностью выпускаются кислотные аккумуляторы типа СК с номинальной емкостью от 36 до 5328 Ач, например СК-148 (если это число 148 умножить на 36, то получится номинальная емкость 5328 Ач).

Щелочные аккумуляторы . Они просты в обслуживании, их можно быстрее зарядить (4 – 7 ч вместо 10 – 12 ч для кислотных), можно располагать внутри РЭУ без вреда для них. Наиболее часто применяются щелочные аккумуляторы никель-кадмиевые (НК), никель-железные (НЖ) и серебряно-цинковые (СЦ). В качестве электролита применяют водный раствор едкого калия.

У щелочных аккумуляторов ЭДС равна 1,5 В (в разряженном аккумуляторе Е = 1,3 В). Средняя плотность электролита у щелочных аккумуляторов в процессе заряда и разряда примерно постоянная. Поэтому их состояние характеризуется в основном значением ЭДС.

Щелочные аккумуляторы выпускаются заводом без электролита. При приготовлении электролита необходимо соблюдать особую осторожность, так как при смешении едкого калия с водой выделяется большое количество тепла. Твердую щелочь разбивают на небольшие куски, накрыв при этом ее материалом, чтобы осколки не попали в глаза и на кожу. Щелочь опускают в воду кусочками, непрерывно помешивая раствор стеклянной или стальной палочкой.

Гальванический элемент - это химический источник тока, в котором энергия, выделяющаяся при протекании на электродах окислительно-восстановительной реакции, непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

Рис. 9.2. Схема гальванического элемента Даниэля - Якоби

Здесь I - стакан, содержащий раствор ZnSO 4 в воде с погруженной в него цинковой пластинкой; II - стакан, содержащий раствор CuSO 4 в воде с погруженной в него медной пластинкой; III - солевой мостик (электролитический ключ), который обеспечивает перемещение катионов и анионов между растворами; IV - вольтметр (нужен для измерения ЭДС, но в состав гальванического элемента не входит).

Стандартный электродный потенциал цинкового электрода . Стандартный электродный потенциал медного электрода . Так как , то атомы цинка будут окисляться:

Электрод, на котором идет реакция восстановления или которыйпринимает катионы из электролита , называется катодом.

Через электролитический ключ происходит движение ионов в растворе: анионов SO 4 2- к аноду, катионов Zn 2+ к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

Реакции (а) и (б) называются электродными реакциями.

Складывая уравнения процессов, протекающих на электродах, получаем суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в гальваническом элементе:

В общем случае, суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в произвольном гальваническом элементе, можно представить в виде:

Схема гальванического элемента Даниэля - Якоби имеет вид:

Zn | ZnSO 4 || CuSO 4 | Cu

Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента Е . Она вычисляется по формуле;

где n - число электронов в элементарном окислительно-восстановительном акте, F - число Фарадея.

Величина изменения изобарно-изотермического потенциала токообразующей реакции при стандартных условиях?G 0 связана с константой равновесия этой реакции К равн соотношением

(9.6)

Гальванические элементы являются первичными (однократно используемыми) химическими источниками тока (ХИТ). Вторичными (многократно используемыми) ХИТ являются аккумуляторы. Процессы, протекающие при разряде и заряде аккумуляторов, взаимнообратны.

Гальванические элементы, у которых электроды выполнены из одного и того же металла и опущены в растворы своих солей разной концентрации, называются концентрационными . Функцию анода в таких элементах выполняет металл, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, например:

Пример 1. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция: Mg + ZnSO 4 = MgSO 4 + Zn. Что является катодом и анодом в этом элементе? Напишите уравнения процессов, протекающих на этих электродах. Рассчитайте ЭДС элемента при стандартных условиях. Вычислите константу равновесия для токообразующей реакции.

Маломощные источники электрической энергии

Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.

Гальванические элементы - это источники одноразового действия, аккумуляторы - источники многоразового действия.

Простейший гальванические элемент

Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.

Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится . По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ - водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.

Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.

Важные параметры гальванических элементов

Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.

Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.

Очень важной характеристикой гальванического элемента является . Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.

Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).

По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.

Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.

Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.

Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.

Распространенные виды гальванических элементов

Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до -60 о С от 7 ч до 340 ч.

Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.

Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.

Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.

Это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.

Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.

Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.

От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок.
Устройство аккумулятора

В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых - раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые - щелочными.

Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов . Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + Н 2 .

Устройство кислотного аккумулятора

Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO 4) превращаются в разнородные (Pb и Рb О 2 ).

Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным - чистая свинцовая пластина.

К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.

В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.

К концу разряда обе пластины аккумулятора опять покрываются сернокислым свинцом, в результате чего аккумулятор перестает быть источником тока. До такого состояния аккумулятор никогда не доводят. Вследствие образования сернокислого свинца на пластинах, концентрация электролита в конце разряда понижается. Если аккумулятор поставить на заряд, то вновь можно вызвать поляризацию, чтобы опять поставить его на разряд и т. д.

Как зарядить аккумулятор

Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой - нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5 - 6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В.

Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16

Где Q - номинальная емкость аккумулятора, Ач.

После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд и течение 15 - 18 ч, до появления признаков конца заряда.

Современные аккумуляторы

Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.

Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 о С и выдерживают 400 - 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.

Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50 - 60 Вт ч кг -1 .

«Арзамасский Государственный Педагогический Институт им А. П. Гайдара»

Курсовая работа

по химии

Тема: Гальванические элементы

Выполнил: студент 5 курса

ЕГФ 52 гр. Б2 подгр. Ширшин Н.В.

Принял: Киндеров А.П.

План

Введение

I. История создания химических источников тока

II. Принцип действия

III. Классификация, устройство и принцип действия химических источников тока

1. Гальванический элемент

2. Электрические аккумуляторы

А) Щелочные аккумуляторы

3. Топливный элемент

А) Принцип действия

Б) Принцип разделения потоков топлива и горючего

В) Пример водородно-кислородного топливного элемента

Г) История исследований в России

Д) Применение топливных элементов

Е) Проблемы топливных элементов

IV. Эксплуатация элементов и батарей

V. Регенерация гальванических элементов и батарей

VI. Особенности некоторых видов гальванических элементов и их краткие характеристики

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Химические источники тока в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источниках тока. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили. В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель - железные и никель - кадмиевые. Они применяются в портативных электронных вычислительных машинах (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр.

В силу ряда обстоятельств химические генераторы электрической энергии являются наиболее перспективными. Их преимущества проявляются через такие параметры, как высокий коэффициент выхода энергии; бесшумность и безвредность; возможность использования в любых условиях, в том числе в космосе и под водой, в стационарных и переносных устройствах, на транспорте и т.д.

В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно – важных систем.

Цели и задачи . В данной работе мне необходимо разобрать принцип действия гальванических элементов, познакомиться с историей их создания, особенностями классификации и устройством различных видов гальванических элементов, а также применением в тех или иных видов химических источников тока в повседневной жизни и различных сферах производства.

I . История создания химических источников тока

Химические источники тока (аббр. ХИТ) - устройства, в которых энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

История создания

Вольтов столб

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта - сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая в последствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение в последствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля». В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах. В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств. В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

II . Принцип действия

Устройство «багдадских батареек» (200 г. до н. э.).

Основу химических источников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов - электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

В современных химических источниках тока используются:

в качестве восстановителя (на аноде) - свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;

в качестве окислителя (на катоде) - оксид свинца(IV) PbO2, гидроксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;

в качестве электролита - растворы щелочей, кислот или солей.

III . Классификация, устройство и принцип действия

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

1. Гальванический элемент

Гальванический элемент - химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. Это первичные ХИТ, которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить.

Гальванические элементы являются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, отдаваемой во внешнюю цепь, а также сохраняемостью и экологической безопасностью.

ЭДС определяется природой протекающих в гальваническом элементе процессов. Напряжение гальванического элемента U всегда меньше его ЭДС в силу поляризации электродов и потерь сопротивления:

U = Eэ – I(r1–r2) – ΔE,

где Еэ – ЭДС элемента; I – сила тока в режиме работы элемента; r1 и r2 – сопротивление проводников I и II рода внутри гальванического элемента; ΔЕ – поляризация гальванического элемента, складывающаяся из поляризаций его электродов (анода и катода). Поляризация возрастает с увеличением плотности тока (i), определяемой по формуле i = I/S, где S – площадь поперечного сечения электрода, и ростом сопротивления системы.

В процессе работы гальванического элемента его ЭДС и, соответственно, напряжение постепенно снижаются в связи с уменьшением концентрации реагентов и увеличением концентрации продуктов окислительно-восстановительных процессов на электродах (вспомним уравнение Нернста). Однако чем медленнее снижается напряжение при разряде гальванического элемента, тем больше возможностей его применения на практике. Емкостью элемента называют общее количество электричества Q, которое гальванический элемент способен отдать в процессе работы (при разрядке). Емкость определяется массой запасенных в гальваническом элементе реагентов и степенью их превращения. При увеличении тока разряда и снижении температуры работы элемента, особенно ниже 00С, степень превращения реагентов и емкость элемента снижаются.

Энергия гальванического элемента равна произведению его емкости на напряжение: ΔН = Q.U. Наибольшей энергией обладают элементы с большим значением ЭДС, малой массой и высокой степенью превращения реагентов.

Сохраняемостью называют продолжительность срока хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных параметрах. С ростом температуры хранения и эксплуатации элемента, его сохраняемость уменьшается.

Состав гальванического элемента : восстановителями (анодами) в портативных гальванических элементах, как правило, служат цинк Zn, литий Li, магний Mg; окислителями (катодами) – оксиды марганца MnO2, меди CuO, серебра Ag2O, серы SO2, а также соли CuCl2, PbCl2, FeS и кислород О2.

Самым массовым в мире остается производство марганец–цинковых элементов Mn–Zn, широко применяемых для питания радиоаппаратуры, аппаратов связи, магнитофонов, карманных фонариков и т.п. Конструкция такого гальванического элемента представлена на рисунке

Токообразующими реакциями в этом элементе являются :

На аноде (–): Zn – 2ē → Zn2+ (на практике происходит постепенное растворение цинковой оболочки корпуса элемента);

На катоде (+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.

В электролитическом пространстве также идут процессы:

У анода Zn2+ + 2NH3 →2+;

У катода Mn2O3 + H2O → или 2.

В молекулярном виде химическую сторону работы гальванического элемента можно представить суммарной реакцией:

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.

Схема гальванического элемента:

(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (С) (+).

ЭДС такой системы составляет Е= 1,25 ÷ 1,50В.

Похожие статьи