Принцип работы гальванического элемента

Что это такое

В любом электрохимическом процессе происходит перенос электронов от одного вещества к другому, что обусловлено ОВР. Окислитель — это вещество, которое теряет электроны и окисляется в процессе. Связанная энергия определяется разностью потенциалов между валентными электронами в атомах различных элементов.

Принцип действия

Гальванический элемент — это устройство, которое проводит химическую энергию и электрическую, музыку, электрохимию, а в быту батарею.

В такой ячейке находится емкость, содержащая раствор концентрированного медного купороса (CuSO4), а внутри раствора находится медный стержень — катод. Внутри контейнера находится пористый сосуд, наполненный концентрированной серной кислотой (H2SO4), в который вставлен цинковый стержень — анод.

Таким образом, когда провод соединяет медный и цинковый стержни, по нему начинает протекать электрический ток.

Дополнительная информация. Реакции окисления и восстановления разделяют на части, называемые полуреакциями. Внешняя цепь используется для потока электронов между электродами гальванического элемента. Электроды изготавливаются из любых токопроводящих материалов, таких как металлы, полупроводники, графит и даже полимеры.

Схема гальванического элемента

Под схемой понимают ее состав и устройство. Его можно изготовить из нескольких химических элементов с помощью вспомогательных приспособлений. Ниже об строении гальванического элемента будет расказано корто. Подробнее об этом читайте в этой статье!

История создания

Первый химический источник тока изобрел итальянский ученый Алессандро Вольта в 1800 году. Это был «элемент Вольта» — сосуд с соленой водой с опущенными в него цинковыми и медными пластинами, с проволочными токопроводами. Затем ученый собрал из этих элементов батарею, которую впоследствии назвали «вольтовой колонкой».

Позднее это изобретение использовали в своих исследованиях другие ученые. 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 Даниэль усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эту конструкцию стали называть «элемент Даниила».

В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрел свинцово-кислотную батарею, поместив скрученную в рулон тонкую свинцовую пластину в серную кислоту. Этот тип элемента до сих пор используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), который состоял из цинкового стакана, наполненного водным раствором хлорида аммония или другой хлоридной соли, в который в качестве деполяризатора с углеродным стоком тока помещался агломерат оксида марганца(IV) MnO2.

Модификация этой конструкции до сих пор используется в соляных батареях для различных бытовых приборов.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Хуберт, иммигрант из России, создал первый карманный электрический фонарик. И уже в 1896 году компания National Carbon начинает серийное производство первых в мире сухих элементов Leklansche «Columbia».

Самый старый, до сих пор работающий гальванический элемент — серебряно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 году. Подключенный к двум последовательно подключенным батареям, звонок до сих пор работает в оксфордской лаборатории Clarendon.

Виды

Гальванические элементы классифицируются как щелочные и безспиртовые. Стандартная сухая щелочная батарея содержит цинк А и К из диоксида марганца. Электролит выполнен в виде некислотной пасты. Обычно электролит, используемый в щелочных батареях, представляет собой гидроксид калия.

Он выполнен в виде стальной банки, заполненной диоксидом марганца в самой внутренней области К и заполненной цинком и электролитом в центральной области А. Электролит, окруженный А, запускает химическую реакцию между ними.

График окислительно-восстановительной реакции

Типичная нещелочная батарея с сухими элементами содержит цинк А и К из углеродистой стали/двуокиси марганца. Электролит обычно представляет собой кислое пастообразное вещество из смеси хлорида аммония и хлорида цинка.

Физически он имеет конструкцию обратной щелочной батареи. Цинковый контейнер служит внешним анодом, а углеродный стержень/двуокись марганца занимает внутреннюю область как К. Электролит смешивается с К и обеспечивает химическую реакцию между К и А.

Общее менение перевод от том, что химические шелочные батареи иметаться по нешечелочной. Хотя последние более надежны и дешевы, они щелочные и нужны, когда требуется быстрое, большое потребление тока, например, вспышка на фотоаппарате с быстрой перезарядкой.

Щелочные батареи

Эта конструкция элемента получила свое название благодаря использованию в качестве электролитов щелочных водных растворов. Химия щелочных устройств впервые была представлена ​​в начале 60-х годов. Он сразу же стал самым большим конкурентом угольно-цинкового элемента.

Эти элементы имеют много признанных преимуществ по сравнению с цинк-углеродом, в том числе более высокую плотность энергии, более длительный срок хранения, отличную устойчивость к утечкам, лучшие характеристики как в непрерывном, так и в прерывистом рабочих циклах, а также более низкое внутреннее сопротивление, что позволяет им работать при высокоскоростном разряде.

Щелочные батареи

Цинк в виде порошка увеличивает площадь поверхности анода, что обеспечивает большее взаимодействие частиц. Это уменьшает внутреннее сопротивление и увеличивает плотность мощности.

Катод, MnO2, производится синтетически из-за его превосходства над природным MnO2, что дает рост плотности энергии. Как и цинк в углеродном элементе, к катоду добавлен графит для повышения проводимости.

Электролит KOH обеспечивает высокую ионную проводимость. Оксид цинка часто добавляют для замедления коррозии цинкового анода. Производное от целулузы и гелеоразующего агента делают щелочной элемент более дорогим, чем цинко-углеродный, но более экономичным, особенно в ситуациях с большим потреблением, когда плотность энергии щелочного элемента значительно выше.

Половинные реакции:

• Zn + 2OH — -> ZnO + H2O + 2 e —
• 2MnO2 + H2O + 2 е — -> Mn2O 3 + 2OH —

Общая реакция:

• Zn + 2MnO2 -> ZnO + Mn2O3 E = 1,5 В

Существуют и другие конструкции элементов, относящиеся к щелочной категории, в том числе оксиды ртути, серебра и цинка. Ртуть и серебро дают еще большую плотность энергии, но они значительно дороже и постепенно исключаются из требований международных организаций из-за высокой токсичности.

Солевые ячейки

Аккумуляторы с измельченными элементами — это продажа, в хорошем очень электротивном с очень желательным контернет. Они контрастируют с батареями с мокрыми элементами, такими как свинцово-кислотные батареи, в которых используется жидкий электролит.

Электролит, используемый в большинстве устройств с сухими элементами, представляет собой пасту, которая хотя и содержит влагу, но остается относительно сухой. Наиболее часто используемыми формами сухих элементов являются батарейки типа «С», «А», 9-вольтовые батарейки и для электронных часов.

Сухой элемент

Важно! Сухие элементы вырабатывают электроэнергию, вырабатывая химическую энергию в энергии. Выходные данные зависят от типа батареи с сухими элементами. Более популярны конструкции с использованием цинка и углерода или цинка и двуокиси марганца.

Эти материалы помещаются в электролитную пасту внутри аккумулятора. Они реагируют друг с другом посредством химического процесса, в котором электролит, двуокись углерода или марганец реагируют с цинком, создавая электричество.

Читайте также: Принцип работы солнечной батареи: как устроена панель

Литиевые аккумуляторы

Литий-ионная технология включает в себя несколько химических процессов: ионы лития накапливаются в аноде или отрицательном электроде и транспортируются во время разряда к катоду или положительному электроду в органическом электролите.

Наиболее популярными материалами являются графит для анода и оксид металла для катода на основе никеля, марганца и кобальта. Все эти материалы обладают хорошими свойствами интеркаляции лития, что позволяет запасать большое количество энергии.

Литий-ионный элемент

Выбор аккумуляторной технологии зависит от требований эксплуатации по производительности, сроку службы, безопасности и стоимости, и каждый тип аккумуляторов предоставляет определенные функциональные возможности.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов:

1. Высокая плотность энергии. Высокая плотность энергии является одним из основных преимуществ технологии литиевых батарей, благодаря чему они работают дольше.
2. Саморазряд. Одной из проблем многих аккумуляторов является скорость саморазряда. Литий-ионные элементы тем, что скорость их саморазряда намного ниже, чем у Ni-Cad и NiMH. Обычно это около 5% в первые 4 часа после зарядки, но потом падает до 1 или 2% за месяц.
3. Низкие експлатнационные рабочие, так как они требуют обслуживания для своей работы.
4. Разнообразие: для бытовой электроники, для электроинструментов и электромобилей.

У таких аккумуляторов есть один существенный недостаток — они требуют встроенной схемы защиты. Кроме того, они подвержены старению и выдерживают 500–1000 циклов зарядки и разрядки.

Классификация

Как мы уже выяснили, хотя гальванические элементы имеют схожий принцип действия, они могут содержать самые разные материалы и вещества. Они делятся на 3 основных вида:

• поваренная соль
• щелочной;
• литий.

Самый бюджетный тип аккумуляторов с посредственными характеристиками. Среди особенностей таких элементов можно выделить следующие:

• ЭДС – 1,5 В;
• малые рабочие токи;
• небольшая электрическая мощность;
• недрождельный сокрам службы;
• бюджетный.

Солевые аккумуляторы при длительном хранении в полуразряженном состоянии или при полной разрядке, как правило, «текут», заливая аккумуляторный отсек электролитом.

Щелочной).
Здесь характеристики гораздо лучше, но и платить придется больше:

• ЭДС – 1,55 В;
• большие рабочие токи;
• хорошая электрическая капазнес;
• длинные секрам службы;
• не «текут» даже при полном разращении;
• высокая цена.

Литий.
Самый, пожалуй, прогрессивный на сегодняшний день тип:

• ЭДС – от 1,5 до 3,7 в зависимости от материалов;
• большая электрическая мощность;
• большие разные токи;
• долгосрочный (до 5 лет) срок службы;
• не «текут»;
• есть очень компактные модели;
• высокая цена.

Все вышеперечисленные гальванические элементы доступны в различных размерах. Солевой и щелочной типы, как правило (но не обязательно), имеют цилиндрическую форму. Литий, кроме цилиндров, может иметь вид небольших дисков, таблеток, параллельных труб и т д.

Типы гальванических элементов

Существует ряд аккумуляторов определенных типов.

Таблица гальванических элементов

Кончик	Напряжение	Основные преимущества
Литий	3 В	Большая емкость, высокая сила тока.
Соляные батареи или угольно-цинковые батареи	1,5 в	Самый дешевый.
Никелоксигидроксил NiOOH	1,6 вольта	повышенный ток. Большая емкость.
Щелочной или щелочной	1,6 В	Большая сила тока. Хороший объем.

Более подробно эта тема раскрыта в статье «типы аккумуляторов!

Назначение гальванического элемента

Предназначен для запуска электрооборудования. Это может быть:

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

И подобные вещи вокруг нас.

Устройство гальванического элемента

Простейший накопитель энергии состоит из:

1. Стрежня из угла.
2. Двухразнородных металлов.
3. Электролит.
4. Смола или пластик.
5. Изолятора.

Устройство и принцип работы гальванического элемента

Металл, погруженный в раствор электролита, называется электродом.

Электроды представляют собой систему двух токонесущих проводов — проводников первого и второго рода.

Металлы, сплавы, оксиды с металлической проводимостью, а также неметаллические материалы, в частности графит; носители заряда — электроны.

К проводникам второго рода относятся расплавы и растворы электролитов; носители заряда — ионы.

Устройство, состоящее из двух электродов, называется гальваническим элементом.

Рассмотрим гальванический элемент Якоби—Даниеля (шкема привестена на рис. 2). Он состоит из цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка, и медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой.

В гальваническом элементе электрод, изготовленный из более активных металлов, т.е. Металл, расположенный левее в диапазоне напряжений, называется анодом, а электрод из менее активного металла – катодом.

На поверхности цинкового электрода (анода) возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Zn0 – 2ē ←→ Zn2+.

В результате протекания этого процесса возникает электродный потенциал цинка.

На поверхности медного электрода (катода) также имеется двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Cu2+ + 2ē ←→ Cu0.

В результате создается электродный потенциал среды.

Так как потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, то при замыкании внешней цепи, т.е при комплектации цинка с медью металическим продногом, электроны будут переходить от цинка к меди.

В результате этого процесса баланс на цинковом электроде сместится вправо, поэтому в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. При этом равновесие на медном электроде сместится влево и произойдет разряд ионов меди.

Таким образом, при замыкании внешней цепи происходят самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и выделения меди на медном электроде. Эти процессы будут продолжаться до тех пор, пока потенциалы не выровняются, или весь цинк не растворится, или вся медь не отложится на медном электроде.

Итак, при работе гальванического элемента Якоби-Даниэля происходят следующие процессы:

1. Анодный процесс, процесс окисления:

Zn0 – 2ē → Zn2+.

2. Катодный процесс, процесс восстановления:

Cu2+ + 2Э → Cu0.

3. Движение электронов во внешних цепях.

4. Движение ионов в растворе: анионы SO42– к аноду, катионы Cu2+ к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

Суммируя электродные реакции, получаем:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu.

В результате прохождения этой реакции в гальваническом элементе происходит движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т.е электрический ток. Поэтому суммарная химическая реакция, протекающая в гальваническом элементе, называется токообразующей реакцией.

Электрический ток в гальваническом элементе возникает за счет окислительно-восстановительной реакции, которая протекает таким образом, что процессы окисления и восстановления пространственно разделены: на отрицательном электроде (аноде) происходит процесс окисления, на положительном электроде (катоде) — процесс редукции.

Необходимым условием работы гальванического элемента является разность потенциалов электродов. Максимальная разность потенциалов электродов, которую можно получить при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента. Он равен разнице между потенциалом катода и потенциалом анода элемента:

ЭДС = Eк – Ea . (1)

ЭДС elementa считается положительной, если токообразующая реакция в этом направлении протекает самопроизвольно. Положительный ЭДС соответствует определенному порядку записи схемы элементов: записываемый левый электрод должен быть отрицательным. Например, схема элемента Якоби—Даниеля записывается в виде:

Zn│ZnSO4║CuSO4│Cu .

Гальванический элемент: схема, принцип работы, применение

Для того, чтобы осуществить шкема гальванического элемента, недвижимость принцип объявления, строительство здания.

Потребители редко обращают внимание на аккумуляторы и аккумуляторы, при этом именно эти источники тока пользуются наибольшим спросом.

Химические источники тока

Что такое гальванический элемент? Схема основана на электролите. Устройство включает в себя небольшую емкость, в которой находится электролит, адсорбированный материалом сепаратора. Кроме того, схема из двух гальванических элементов предполагает наличие катода и анода.

Как называется этот гальванический элемент? Схема соединения двух металлов предполагает наличие окислительно-восстановительной реакции.

Простейший гальванический элемент

Он подразумевает наличие двух пластин или стержней из разных металлов, которые погружены в крепкий раствор электролита. В процессе работы данного гальванического элемента, на узле профессионального процесса оксиденния, зебанный с предложением электронов.

На катоде – восстановление, сопровождающееся приемом отрицательных частиц. Происходит передача электронов по вечерним цепям к окислителю от восстановителя.

Пример гальванического элемента

Для того что предполагает электронные схемы гальванических элементов, недвижимость входу их стандартного электродного постециал. Проанализируем вариант медно-зинкового гальванического элемента, функционирующее на основе энергии, отдычающиеся при изображении сульфата меди с цинком.

Этот гальванический элемент, шкама коего будет привестена ниже, найти применение Якоби-Даниеля. Он включает медную пластину, погруженную в раствор сульфата меди (медный электрод), а также состоит из цинковой пластины, находящейся в растворе ее сульфата (цинковый электрод).

Растворы контактируют друг с другом, но для предотвращения их смешивания в элементе используется перегородка из пористого материала.

Принцип действия

Как образовался гальванический элемент, схема хорошо имеет вид Zn ½ ZnSO4 ½ ½ CuSO4 ½ Cu? Во время его работы кожа означает электрическую цепь, процесс оси металлического цинка.

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

Реакцию, происходящую на цинковом электроде, можно представить следующим образом:

Zn = Zn2+ + 2e-

Восстановление катионов металлов проводят на медном электроде. Отрицательные частицы, попадающие сюда с цинкового электрода, соединяются с катионами меди, осаждая их в виде металла. Этот процесс имеет следующий вид:

Cu2+ + 2e- = Cu

Если сложить две реакции, рассмотренные выше, то получится суммарное уравнение, описывающее работу медно-цинкового гальванического элемента.

В качестве анода выступает цинковый электрод, а в качестве катода — медь. Современные гальванические элементы и батареи предполагают использование одного раствора электролита, что расширяет сферу их применения, делает их эксплуатацию более комфортной и удобной.

Область использования

Электрохимия имеет много важных применений, особенно в промышленности. Его процессы используются для производства электрических батарей. Они имеют множество применений, в том числе:

1. Топливный элемент проводит химическую установленную энергию, выделяющую при осидний фульби, на дому, газе, хродионе, укородонах, испортов в электрическу энергию.
2. Различные пьезогорелки для газа.
3. Электроприборы, такие как мобильные телефоны.
4. Цифровые фотоаппараты — литий.
5. Слуховые аппараты (оксид-серебро).
6. Электронные часы (ртуть/оксид серебра).
7. Военные источники тока (тепловые).
8. Батарейки А, АА, ААА, D, C и другие.

Использование химических реакций для получения электроэнергии в настоящее время является приоритетом для многих исследователей. Умение адекватно использовать химические реакции в качестве источника энергии существенно поможет решить проблемы загрязнения окружающей среды.

Разновидности гальванических элементов

Наиболее распространенными считаются углеродно-цинковые элементы. В них используется пассивный углеродный токосъемник, контактирующий с анодом, в котором появляется оксид марганца (4). Электролит — хлористый аммоний, применяемый в пастообразном виде.

Он не растекается, поэтому сам гальванический элемент называется сухим. Его особенностью является способность «восстанавливаться» в процессе работы, что положительно отражается на продолжительности их эксплуатационного периода.

Такие гальванические элементы имеют низкую стоимость, но малую мощность. При понижении температуры они снижают свой КПД, а при повышении электролит высыхает постепенно.

Щелочные элементы предполагают использование щелочного раствора, поэтому областей применения у них довольно много.

Активный металл выступает в качестве анода в литиевых элементах, что положительно сказывается на сроке службы. Литий имеет потенциал отрицательного электрода, поэтому при малых размерах подобные элементы имеют максимальное номинальное напряжение. Среди недостатков подобных систем можно выделить высокую цену. Вскритые литиевые современность тока из взрооопасным.