Pojava e. d.s. u galvanskom članku. Najjednostavniji Voltin bakar-cink galvanski članak (slika 156) sastoji se od dvije ploče (elektrode): cinka 2 (katoda) i bakra 1 (anoda), uronjenih u elektrolit 3, koji je vodena otopina sumporne kiseline H 2 S0 4 . Kada se sumporna kiselina otopi u vodi, dolazi do procesa elektrolitičke disocijacije, tj. neke se molekule kiseline raspadaju na pozitivne ione vodika H 2 + i negativne ione kiselinskog ostatka S0 4 -. Istodobno se cinkova elektroda otapa u sumpornoj kiselini. Kada se ova elektroda otopi, pozitivni ioni cinka Zn+ prelaze u otopinu i spajaju se s negativnim ionima SO 4 - kiselim ostatkom, tvoreći neutralne molekule cink sulfata ZnS04. U tom slučaju će se preostali slobodni elektroni akumulirati na cinčanoj elektrodi, zbog čega ova elektroda dobiva negativan naboj. U elektrolitu se stvara pozitivan naboj zbog neutralizacije nekih negativnih iona S0 4. Dakle, u graničnom sloju između cinkove elektrode i elektrolita nastaje određena potencijalna razlika i stvara se električno polje koje onemogućuje daljnji prijelaz pozitivnih iona cinka u elektrolit; u tom slučaju prestaje otapanje cinkove elektrode. Bakrena elektroda se praktički ne otapa u elektrolitu i dobiva isti pozitivni potencijal kao i elektrolit. Razlika potencijala bakra? Cu i cink? Zn elektroda s otvorenim vanjskim strujnim krugom je e. d.s. E galvanskog članka koji se razmatra.

EMF koju stvara galvanski članak ovisi o kemijskim svojstvima elektrolita i metala od kojih su izrađene elektrode. Obično se biraju takve kombinacije metala i elektrolita kod kojih npr. d.s. najveći, ali u gotovo svim korištenim elementima ne prelazi 1,1 -1,5 V.

Kada se bilo koji prijamnik električne energije spoji na elektrode galvanskog članka (vidi sl. 156), struja I počet će teći kroz vanjski krug od bakrene elektrode (pozitivni pol elementa) do cinkove elektrode (negativan pol) . U elektrolitu će u ovom trenutku započeti kretanje pozitivnih iona cinka Zn + i vodika H 2 + od cinkove ploče do bakrenih i negativnih iona kiselinskog ostatka S0 4 - od bakrene ploče do cinkove ploče. Kao rezultat toga, ravnoteža električnih naboja između elektroda i elektrolita bit će poremećena, zbog čega će pozitivni ioni cinka ponovno početi teći u elektrolit s katode, održavajući negativan naboj na ovoj elektrodi; Novi pozitivni ioni će se taložiti na bakrenoj elektrodi. Dakle, između anode i katode uvijek će postojati potencijalna razlika potrebna za prolaz struje kroz električni krug.

Polarizacija. Razmatrani Voltin galvanski članak ne može dugo raditi zbog štetne pojave polarizacije koja se u njemu javlja. Suština ovog fenomena je sljedeća. Pozitivni ioni vodika H 2 + usmjereni na bakrenu elektrodu 1 stupaju u interakciju sa slobodnim elektronima prisutnima na njoj i pretvaraju se u neutralne atome vodika. Ovi atomi prekrivaju površinu bakrene elektrode kontinuiranim slojem 4, što pogoršava rad galvanskog članka iz dva razloga. Prvo, dolazi do dodatne emisije između sloja vodika i elektrolita. d.s. (emf polarizacije) usmjeren protiv glavne emf. d.s. element, stoga njegov rezultirajući e. d.s. E se smanjuje. Drugo, sloj vodika odvaja bakrenu elektrodu od elektrolita i sprječava nove pozitivne ione da joj priđu. U tom se slučaju unutarnji otpor galvanskog članka naglo povećava.

Za suzbijanje polarizacije u svim galvanskim ćelijama, oko pozitivne elektrode stavljaju se posebne tvari - depolarizatori, koji lako kemijski reagiraju s vodikom. Oni apsorbiraju ione vodika koji se približavaju pozitivnoj elektrodi, sprječavajući njihovo taloženje na ovoj elektrodi.

Industrija proizvodi galvanske ćelije različitih tipova (s različitim elektrodama i elektrolitima), različitih dizajna. Najčešće su ugljično-cink ćelije, kod kojih su ugljične i cinkove elektrode uronjene u vodenu otopinu amonijevog klorida (amonijaka) ili kuhinjske soli, a kao depolarizator se koristi manganov peroksid.

Suhi elementi. Vrsta galvanskog članka je suhi članak (sl. 157), koji se koristi u baterijama džepnih baterijskih svjetiljki, radija itd. U ovom članu tekući elektrolit zamijenjen je tijestastom masom koja se sastoji od otopine amonijaka pomiješanog s piljevinom. i škroba, a cinkova elektroda je izrađena u obliku cilindrične kutije koja služi kao posuda u koju se stavljaju elektrolit i ugljena elektroda. Za uklanjanje plinova koji nastaju tijekom rada elementa, u njemu se nalazi izlazna cijev za plin.

Kapacitet. Sposobnost kemijskih izvora struje da isporučuju električnu energiju karakterizira njihov kapacitet. Kapacitet se odnosi na količinu električne energije pohranjene u galvanskim ćelijama ili baterijama. Kapacitet se mjeri u amper satima. Nazivni kapacitet kemijskog izvora struje jednak je umnošku nazivne (izračunate) struje pražnjenja (u amperima) koju daje kemijski izvor struje kada je na njega priključeno opterećenje i vremena (u satima) do njegova e. d.s. neće dosegnuti minimalno prihvatljivu vrijednost. Tijekom dugotrajnog rada smanjuje se količina električne energije koju galvanski članak može proizvesti, jer se u njemu prisutne aktivne kemijske tvari koje osiguravaju pojavu električne energije postupno troše. d.s; u isto vrijeme e se smanjuje. d.s. elementa i povećava se njegov kapacitet i unutarnji otpor.

Galvanski članak ima nazivni kapacitet samo ako je od njegove izrade prošlo relativno malo vremena. Kapacitet galvanskog članka postupno opada, čak i ako ne proizvodi električnu energiju (nakon 10-12 mjeseci skladištenja, kapacitet suhih članaka opada za 20-30%). To se objašnjava činjenicom da se kemijske reakcije u takvim elementima odvijaju kontinuirano i da se aktivne kemijske tvari pohranjene u njima stalno troše.

Smanjenje kapaciteta kemijskih izvora struje tijekom vremena naziva se samopražnjenje. Kapacitet galvanskog članka također se smanjuje kada se isprazni velikom strujom.

Primjer kemijskog galvanskog članka je Jacobi-Danielov element (slika 6). Sastoji se od bakrene elektrode (bakrena ploča uronjena u otopinu CuSO 4) i cinčane elektrode (cinkova ploča uronjena u otopinu ZnSO 4). EDL se pojavljuje na površini cinčane ploče i uspostavlja se ravnoteža

Zn ⇄ Zn 2+ + 2ē

U tom slučaju nastaje elektrodni potencijal cinka, a krug elektrode će imati oblik Zn|ZnSO 4 ili Zn|Zn 2+.

Slično, EDS se pojavljuje i na bakrenoj ploči i uspostavlja se ravnoteža

Cu ⇄ Cu 2+ + 2ē

Stoga nastaje elektrodni potencijal bakra, a elektrodni krug će imati oblik Cu|CuSO 4 ili Cu|Cu 2+.

Na Zn elektrodi (elektrokemijski aktivnijoj) odvija se proces oksidacije: Zn – 2ē → Zn 2+. Na Cu elektrodi (elektrokemijski manje aktivnoj) odvija se proces redukcije: Cu 2+ + 2ē → Cu.

Riža. 6 Shema bakar-cink galvanskog članka

Ukupna jednadžba za elektrokemijsku reakciju je:

Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu

ili Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu

Budući da je strujni krug kemijskog galvanskog članka napisan prema pravilu "pravog plusa", strujni krug Jacobi–Danielovog elementa imat će oblik

Dvostruka linija na dijagramu označava elektrolitski kontakt između elektroda, obično se provodi kroz slani most.

U mangan-cink galvanskom članku (slika 7), kao iu bakreno-cinkovom, anoda je cinkova elektroda. Pozitivna elektroda prešana je iz mješavine mangan dioksida s grafitom i acetilenskom čađom u obliku stupca "aglomerata", u čiju je sredinu postavljena ugljična šipka - strujni vodič.

Riža. 7 Dijagram suhe mangan-cink ćelije

1 – anoda (cinkova čašica), 2 – katoda (mješavina mangan dioksida s grafitom), 3 – grafitni vodič s metalnom kapom,

4 - elektrolit

Elektrolit koji sadrži amonijev klorid koji se koristi u mangan-cink ćelijama ima blago kiselu reakciju zbog hidrolize NH 4 CI. U kiselom elektrolitu, proces generiranja struje odvija se na pozitivnoj elektrodi:

MnO 2 + 4N + + 2ē → Mn 2+ + 2N 2 O

U elektrolitu s pH 7-8 ima premalo vodikovih iona i reakcija se počinje odvijati uz sudjelovanje vode:

MnO 2 + H 2 O + ē → MnOOH + OH -

MnOOH je nepotpuni hidroksid mangana (III) - manganit.

Kako se ioni vodika troše u procesu generiranja struje, elektrolit se mijenja iz kiselog u neutralni ili čak alkalni. Nije moguće održati kiselu reakciju u slanom elektrolitu pri pražnjenju elemenata. Nemoguće je dodati kiselinu u slani elektrolit, jer će to uzrokovati ozbiljno samopražnjenje i koroziju cinčane elektrode. Kako se manganit nakuplja na elektrodi, može djelomično reagirati s ionima cinka nastalim tijekom pražnjenja cinkove elektrode. U tom slučaju dobiva se teško topljivi spoj - heterolit, a otopina se zakiseli:

2MnOOH + Zn 2+ → ZnO∙Mn 2 O 3 + 2H +

Stvaranje heterolita sprječava da elektrolit postane previše alkaliziran kada se ćelija isprazni.

Osim elektrolize, moguća je i druga opcija za pojavu redoks reakcije. U tom slučaju elektroni od redukcijskog sredstva do oksidirajućeg sredstva prolaze kroz metalni vodič kroz vanjski električni krug. Kao rezultat toga, u vanjskom krugu nastaje električna struja, a takav se uređaj naziva galvanski element. Galvanski članci su kemijski izvori struje- uređaji za izravnu pretvorbu kemijske energije u električnu, zaobilazeći njezine druge oblike.
Galvanski članci na bazi raznih metala i njihovih spojeva našli su široku praktičnu primjenu kao kemijski izvori struje.

U galvanskom članku kemijska se energija pretvara u električnu. Najjednostavniji galvanski članak sastoji se od dvije posude s otopinama CuSO 4 i ZnSO 4 u koje su uronjene bakrene, odnosno cinčane ploče. Posude su međusobno povezane cijevi koja se zove slani most, a ispunjena je otopinom elektrolita (na primjer, KCl). Takav sustav se zove bakar-cink galvanski članak.

Shematski, procesi koji se odvijaju u bakreno-cink galvanskom članku ili, drugim riječima, dijagram galvanskog članka prikazani su na donjoj slici.

Dijagram galvanskog članka

Proces oksidacije cinka odvija se na anodi:

Zn - 2e - = Zn 2+.

Zbog toga se atomi cinka pretvaraju u ione koji prelaze u otopinu, a cinkova anoda se otapa i njezina se masa smanjuje. Imajte na umu da je anoda u galvanskom članku negativna elektroda (zbog elektrona dobivenih iz atoma cinka) za razliku od procesa elektrolize gdje je spojena na pozitivni pol vanjske baterije.

Elektroni iz atoma cinka kreću se kroz vanjski električni krug (metalni vodič) do katode, gdje se odvija proces redukcije iona bakra iz otopine njegove soli:

Cu 2+ + 2e – = Cu.

Kao rezultat toga nastaju atomi bakra koji se talože na površini katode, a njezina se masa povećava. Katoda u galvanskom članku je pozitivno nabijena elektroda.

Ukupna jednadžba za reakciju koja se odvija u galvanskoj ćeliji bakar-cink može se prikazati na sljedeći način:

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu.

Zapravo dolazi do reakcije zamjene bakra cinkom u njegovoj soli. Ista se reakcija može provesti i na drugi način - uroniti cinčanu ploču u otopinu CuSO 4 . U tom slučaju nastaju isti proizvodi - ioni bakra i cinka. No razlika između reakcije u bakreno-cink galvanskom članku je u tome što su procesi gubitka i dobitka elektrona prostorno odvojeni. Procesi otpuštanja (oksidacije) i adicije (redukcije) elektrona ne odvijaju se u izravnom kontaktu atoma Zn s ionom Cu 2+, već na različitim mjestima u sustavu - odnosno na anodi i katodi, koje su povezani metalnim vodičem. S ovom metodom izvođenja ove reakcije, elektroni se kreću od anode do katode duž vanjskog kruga, koji je metalni vodič. Usmjeren i uređen tok nabijenih čestica (u ovom slučaju elektrona) je električna struja. U vanjskom krugu galvanskog članka nastaje električna struja. Za glasanje morate omogućiti JavaScript

U suvremenim uvjetima najčešći kemijski izvori struje su galvanski članci. Unatoč njihovim pojedinačnim nedostacima, naširoko se koriste u elektronici, te se stalno radi na njihovom poboljšanju. Princip rada galvanskog članka vrlo je jednostavan. U vodenu otopinu sumporne kiseline urone se bakrene i cinčane ploče koje tada djeluju kao pozitivni i negativni polovi.

Princip rada galvanskog članka

Kada su polovi spojeni pomoću vodiča, pojavljuje se jednostavan električni krug. Protok struje unutar elementa dogodit će se od negativnog naboja do pozitivnog, odnosno od cinčane ploče do bakrene. Kretanje nabijenih čestica duž vanjskog kruga bit će u suprotnom smjeru.

Kada su izloženi električnoj struji, kretanje ostataka sumporne kiseline, kao i iona vodika, odvijat će se u različitim smjerovima. Istodobno, vodik prenosi naboj na bakrenu ploču, a preostala kiselina na cinčanu ploču. Tako će se održavati napon na stezaljkama. Istodobno, mjehurići vodika talože se na bakrenoj ploči, slabeći ukupni učinak elementa i stvarajući dodatni napon. Ovaj napon je poznat kao elektromotorna sila polarizacije. Kako bi se izbjegao ovaj fenomen, u sastav se uvodi tvar koja može apsorbirati atome vodika i izvršiti funkciju depolarizacije.

Galvanski članci: prednosti i nedostaci

Za izradu modernih galvanskih članaka koriste se različiti materijali. Najčešći su materijali na bazi ugljično-cinkovih elemenata koji se koriste za prstaste.

Njihova glavna pozitivna kvaliteta smatra se relativno niskom cijenom. Međutim, takvi elementi imaju malu snagu i kratak vijek trajanja. Najbolja opcija je korištenje alkalnih elemenata. Ovdje elektrolit nije ugljen, već otopina lužine. Tijekom pražnjenja ne dolazi do oslobađanja plina, što osigurava potpunu nepropusnost. Alkalni elementi imaju dulji vijek trajanja.

Opći princip rada galvanskog članka potpuno je isti za sve tipove. Na primjer, elementi na bazi živinog oksida strukturno su slični alkalnim. Karakterizira ih povećana otpornost na visoke temperature, visoka mehanička čvrstoća i stabilne vrijednosti napona. Nedostatak je toksičnost žive, što zahtijeva pažljivo rukovanje otpadnim elementima.

Da bi se nacrtao dijagram galvanske ćelije, potrebno je razumjeti načelo njegovog rada i strukturne značajke.

Potrošači rijetko obraćaju pozornost na baterije i punjive baterije, iako su to najpopularniji izvori energije.

Kemijski izvori struje

Što je galvanski članak? Njegov krug se temelji na elektrolitu. Uređaj uključuje mali spremnik koji sadrži elektrolit, koji je apsorbiran materijalom separatora. Osim toga, dijagram dvaju galvanskih članaka pretpostavlja prisutnost Kako se zove takav galvanski članak? Shema koja povezuje dva metala zajedno pretpostavlja prisutnost oksidacijsko-redukcijske reakcije.

Najjednostavniji galvanski članak

Uključuje prisutnost dviju ploča ili šipki izrađenih od različitih metala, koje su uronjene u otopinu jakog elektrolita. Tijekom rada ove galvanske ćelije na anodi se javlja proces oksidacije, povezan s otpuštanjem elektrona.

Na katodi - redukcija, praćena prihvaćanjem negativnih čestica. Elektroni se kroz vanjski krug prenose na oksidacijsko sredstvo iz redukcijskog sredstva.

Primjer galvanskog članka

Za izradu elektroničkih sklopova galvanskih članaka potrebno je znati vrijednost njihovog standardnog elektrodnog potencijala. Analizirajmo varijantu bakar-cink galvanske ćelije koja radi na temelju energije koja se oslobađa tijekom interakcije bakrenog sulfata s cinkom.

Ova galvanska ćelija, čiji će dijagram biti dan u nastavku, naziva se Jacobi-Danielov element. Uključuje koji je uronjen u otopinu bakrenog sulfata (bakrena elektroda), a sastoji se i od cinčane ploče koja se nalazi u otopini njegovog sulfata (cinkova elektroda). Otopine dolaze u dodir jedna s drugom, ali kako bi se spriječilo njihovo miješanje, element koristi pregradu od poroznog materijala.

Princip rada

Kako radi galvanska ćelija čiji je krug Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Tijekom njegovog rada, kada je električni krug zatvoren, dolazi do procesa oksidacije metalnog cinka.

Na njegovoj površini kontakta s otopinom soli uočava se transformacija atoma u katione Zn2+. Proces je popraćen oslobađanjem "slobodnih" elektrona koji se kreću duž vanjskog kruga.

Reakcija koja se odvija na cinčanoj elektrodi može se prikazati na sljedeći način:

Redukcija metalnih kationa provodi se na bakrenoj elektrodi. Negativne čestice koje ovdje ulaze iz cinkove elektrode spajaju se s kationima bakra, taložeći ih u obliku metala. Ovaj proces izgleda ovako:

Ako zbrojimo dvije gore razmotrene reakcije, dobit ćemo zbirnu jednadžbu koja opisuje rad cink-bakrenog galvanskog članka.

Cinkova elektroda služi kao anoda, a bakrena kao katoda. Suvremeni galvanski članci i baterije zahtijevaju korištenje jedne otopine elektrolita, što proširuje opseg njihove primjene i čini njihov rad ugodnijim i praktičnijim.

Vrste galvanskih članaka

Najčešći su elementi ugljik-cink. Oni koriste pasivni ugljični kolektor struje u kontaktu s anodom, koja je manganov oksid (4). Elektrolit je amonijev klorid, koji se koristi u obliku paste.

Ne širi se, zbog čega se sam galvanski članak naziva suhim. Njegova značajka je sposobnost "oporavka" tijekom rada, što pozitivno utječe na trajanje njihovog operativnog razdoblja. Takve galvanske ćelije imaju nisku cijenu, ali malu snagu. Padom temperature smanjuju učinkovitost, a porastom temperature dolazi do postupnog sušenja elektrolita.

Alkalne ćelije zahtijevaju upotrebu alkalne otopine, tako da imaju dosta područja primjene.

U litijevim ćelijama aktivni metal djeluje kao anoda, što pozitivno utječe na radni vijek. Litij je negativan, stoga, s malim dimenzijama, takvi elementi imaju maksimalni nazivni napon. Među nedostacima takvih sustava je visoka cijena. Otvaranje litijevih izvora energije je eksplozivno.

Zaključak

Princip rada svake galvanske ćelije temelji se na redoks procesima koji se odvijaju na katodi i anodi. Ovisno o korištenom metalu i odabranoj otopini elektrolita mijenja se radni vijek elementa, kao i vrijednost nazivnog napona. Trenutno su tražene litijeve i kadmijeve galvanske ćelije koje imaju prilično dug radni vijek.