Типы гальванических элементов: Гальванические элементы. Виды и устройство. Работа и особенности

Гальванические элементы. Виды и устройство. Работа и особенности

В первых опытах ученых в емкость с кислотой опускали две металлические пластины: медную и цинковую. Пластины соединяли проводником, после чего на медной пластине появлялись газовые пузырьки, а цинковая пластина стала растворяться. Было доказано, что по проводнику проходит электрический ток. Это исследование начинал итальянский ученый Гальвани, от него и получили название гальванические элементы.

После этого ученый Вольта разработал цилиндрическую форму этого элемента в виде вертикального столбика, включающего в себя набор колец меди, цинка и сукна, соединенных друг с другом, и пропитанных кислотой. Разработанный Вольтом вертикальный элемент полуметровой высоты вырабатывал напряжение, которое мог почувствовать человек.

Гальванические элементы — это источники электрической энергии, вырабатывающие электрический ток методом химического взаимодействия двух металлов в электролите. Химическая энергия в гальванических элементах преобразуется в электрический ток.

Виды и особенности устройства
Батарейки широко используются для питания разных электронных устройств, приборов, цифровой техники и делятся на три основных вида:
  1. Солевые.
  2. Щелочные.
  3. Литиевые.
 Солевые гальванические элементы

Такие батарейки относятся к марганцево-цинковым элементам питания, и являются наиболее применяемыми в настоящее время.

Достоинствами солевых батареек являются:
  • Приемлемые электрические параметры для многих областей использования.
  • Удобство применения.
  • Малая цена ввиду небольших расходов на изготовление.
  • Простая технология изготовления.
  • Дешевое и доступное сырье.

Длительное время этот вид батареек является наиболее популярным, благодаря соотношению качества и цены. Однако в последние годы заводы изготовители уменьшают производство солевых гальванических элементов, и даже отказываются от выпуска, так как требования к источникам питания повышаются производителями электронной техники.

Недостатками солевых батареек являются:
  • Малый срок хранения, не более 2-х лет.
  • Резкое падение свойств при снижении температуры.
  • Резкое уменьшение емкости при повышении рабочего тока до эксплуатационных значений современных потребителей.
  • Быстрое уменьшение напряжения во время работы.

Солевые гальванические элементы в конце своего разряда могут потечь, что связано с вытеканием электролита из-за увеличения объема положительного электрода, который выдавливает электролит. Активная масса плюсового электрода состоит из диоксида марганца и электролита. Сажа и графит, добавленный в активную смесь, повышают электропроводность активной смеси. Их доля равна от 8 до 20% в зависимости от марки батарейки. Для увеличения срока работы окислителя активную смесь насыщают электролитом.

Минусовой электрод изготавливают из очищенного цинка, устойчивого к коррозии. В нем остается небольшая доля кадмия или свинца, являющегося ингибиторами коррозии. Раньше в батарейках в качестве электролита использовали хлорид аммония. Он участвует в реакции образования тока, создает проходимость ионов. Но такой электролит не показал хороших результатов, и его заменили хлоридом цинка с примесями хлорида кальция. Марганцево-кислые элементы работают дольше, и показывают лучшие результаты при пониженных температурах.

В солевых гальванических элементах отрицательным полюсом является цинковый корпус 7. Плюсовой электрод 6 изготовлен из активной прессованной массы, пропитанной электролитом. По центру этой массы находится угольный стержень 5, обработанный парафином для удержания влаги в электролите. Верхняя часть стержня закрыта металлическим колпаком. В сепараторе 4 находится густой электролит. В газовую камеру 1 поступают газы, образованные при работе батарейки. Сверху батарейку закрывают прокладкой 3. Весь гальванический элемент заключают в футляр 2, выполненный из картона или фольги.

Щелочные батарейки

Щелочные элементы питания появились в середине прошлого века. В них в качестве окислителя выступает диоксид марганца, а в качестве восстановителя порошковый цинк. Это дает возможность увеличить поверхность. Для предохранения от коррозии раньше применялось амальгамирование. Но после запрета на ртуть используют очищенные цинковые порошки с добавлением других металлов и ингибиторов коррозии.

Активным веществом анода щелочной (алкалиновой) батарейки стал очищенный цинк в виде порошка с добавлением алюминия, индия или свинца. Активная смесь катода включает в себя диоксид марганца, ацетиленовую сажу или графит. Электролит алкалиновых батареек состоит из едкого натра или калия с добавлением оксида цинка.

Порошковый анод позволяет значительно повысить использование активной смеси, в отличие от солевых батареек. Алкалиновые батарейки обладают значительно большей емкостью, чем солевые, при равных габаритных размерах. Они хорошо себя показали в работе на морозе.

Особенностью устройства алкалиновых элементов является порошковый цинк, поэтому вместо цинкового стакана используют стальной корпус для положительного вывода. Активная смесь положительного электрода находится возле внутренней стенки стального корпуса. В алкалиновой батарейке есть возможность разместить больше активной смеси положительного электрода, в отличие от солевой.

В активную смесь вставляется целлофановый сепаратор, смоченный электролитом. По центру батарейки проходит латунный отрицательный электрод. Остальной объем между сепаратором и отрицательным токоотводом заполняется анодной пастой в виде порошкового цинка, пропитанного густым электролитом. Обычно в качестве электролита используют щелочь, насыщенную специальными соединениями цинка. Это дает возможность предотвратить потребление щелочи в начале работы элемента, и снизить коррозию. Масса щелочных батареек выше солевых из-за стального корпуса и большей плотности активной смеси.

По многим основным параметрам алкалиновые гальванические элементы превосходят солевые элементы. Поэтому в настоящее время увеличивается объем производства щелочных батареек.

Литиевые элементы питания

Литиевые гальванические элементы применяются в различных современных устройствах. Они выпускаются различных типоразмеров и видов.

Существуют литиевые батарейки и литиевые аккумуляторы, имеющие между собой большие отличия. Батарейки имеют в составе твердый органический электролит, в отличие от других видов элементов. Литиевые элементы используются в местах, где требуются средние и малые токи разряда, стабильное рабочее напряжение. Литиевый аккумулятор можно перезаряжать определенное количество раз, а батарейки не предназначены для этого, и используются только один раз. Их запрещается вскрывать или перезаряжать.

Основные требования к производству
  • Надежная герметизация корпуса. Нельзя допускать утечки электролита и проникновения внутрь других веществ из внешней среды. Нарушение герметичности приводит к их возгоранию, так как литий является высоко активным элементом. Гальванические элементы с нарушенной герметичностью не годятся для эксплуатации.
  • Изготовление должно проходить в герметичных помещениях с аргоновой атмосферой и контролем влажности.

Форма литиевых аккумуляторов бывает цилиндрической, дисковой или призматической. Габариты практически не отличаются от других видов батареек.

Область использования
Литиевые гальванические элементы обладают более длительным сроком работы, по сравнению с другими элементами. Область применения очень широка:
  • Космическая промышленность.
  • Авиационное производство.
  • Оборонная промышленность.
  • Детские игрушки.
  • Медицинская техника.
  • Компьютеры.
  • Фото- и видеокамеры.
Преимущества
  • Широкий интервал рабочих температур.
  • Компактные размеры и масса.
  • Длительная эксплуатация.
  • Стабильные параметры в различных условиях.
  • Большая емкость.
Недостатки
  • Возможность внезапного возгорания при несоблюдении правил пользования.
  • Высокая цена, по сравнению с другими видами батареек.
Принцип работы

Действие гальванических элементов основано на том, что два разных металла в среде электролита взаимодействуют между собой, в результате чего во внешней цепи образуется электрический ток.

Такие химические элементы сегодня называют батарейками. Величина напряжения батарейки зависит от применяемых видов металлов и от числа элементов, находящихся в ней. Все устройство батарейки расположено в металлическом цилиндре. Электроды представляют собой металлические сетки с напылением восстановителя и окислителя.

Батарейки не могут восстанавливать утраченные свойства, так как в них осуществляется прямое преобразование химической энергии окислителя и восстановителя в электрическую. Химические реагенты при функционировании батарейки постепенно расходуются, а электрический ток уменьшается.

Отрицательный вывод батарейки выполнен из цинка или лития, он теряет электроны и является восстановителем. Другой положительный вывод играет роль окислителя, его изготавливают из оксида магния или солей металлов. Состав электролита в обычных условиях не пропускает через себя электрический ток. При замыкании электрической цепи начинается распад электролита на ионы, что обуславливает появление его электрической проводимости. Электролит состоит чаще всего из раствора кислоты или солей натрия и калия.

Похожие темы:

Типы гальванических элементов

Типы гальванических
элементов

В гальваническом
элементе происходит окислительно-восстановительная
реакция, ко­торая протекает раздельно
на двух электродах: на одном — процесс
окисления, в результа­те которого
здесь накапливаются электроны, а на
другом — восстановления (электроны
рас­ходуются).

Примером
гальванического элемента служит
известный элемент
Даниэля-Якоби
(рис.
12.4).

Он состоит из
цинкового и медного электродов. Цинковую
пластинку погружают в раствор ZnSO4,
а медную — в раствор CuSO4.
Для каждого из элек­тродов существует
равновесие:

Zn
Zn2+
+ 2e,

Однако цинк — более
активный металл и легче, чем медь,
посылает свои ионы в раствор. Поэтому
на цинковой пластинке накапливается
больше избы­точных электронов, чем
на медной. Если обе плас­тинки соединить
проволокой, то электроны будут переходить
по ней с цинка на медь. В результате
это­го первое равновесие должно
сместиться вправо, то есть на цинковом,
электроде будет происходить пря­мая
реакция — переход ионов цинка в раствор:

Zn
-> Zn2+
+ 2e.

С другой стороны,
переход электронов на медную пластинку
должен смещать второе рав­новесие
влево. Таким образом, на медном электроде
будет происходить только обратная
реакция — переход ионов меди из раствора
на медную пластинку:

Сu2+
+ 2е -> Сu

Казалось бы, такой
гальванический элемент должен работать
до тех пор, пока вся цин­ковая пластинка
не растворится или все ионы меди из
раствора не перейдут на медную пла­стинку.
Однако работа элемента прекратится
раньше. В самом деле, до соединения двух
пла­стинок проволокой оба раствора
— ZnSO4
и CuSO4
— были электронейтральны, так как в них
концентрация катионов была равна
концентрации анионов. В результате
работы элемента соотношения изменятся:
[Zn2+]
> [SO42-]
и [Cu2+]
< [SO42-‘],
раствор у цинкового электрода приобретает
положительный заряд, а у медного электрода
— отрицательный. Очевидно, это должно
препятствовать перетеканию электронов
от цинка к меди. Поэтому оба раствора
не­обходимо соединить электролитическим
мостиком — раствором КС1, по которому
избыточ­ные ионы SO42-будут
переходить от медного электрода к
цинковому. В результате заряды растворов
будут выравниваться, и теперь элемент
будет работать, пока не израсходуются
со­ставляющие вещества. Схему
гальванического элемента представляют
следующим образом:

Zn
ZnSO4|
KCl
|CuSO4
|Cu.

В такой схеме обычно
сначала записывается электрод с более
отрицательным потенци­алом, далее
раствор, в который он погружен,
электролитический мостик, затем состав
вто­рого раствора и, наконец, электрод
с более положительным потенциалом.
Границы раздела фаз обозначают
вертикальными черточками. Электрод, на
котором происходит реакция окисления,
называют анодом, а электрод, на котором
происходит реакция восстановления —
катодом. Так, цинковый электрод является
анодом, а медный электрод — катодом.

Как отмечено выше,
количественной характеристикой
электрохимического элемента (или цепи
элементов) является электродвижущая
сила (ЭДС или
Е), которая
равна разно­сти потенциалов электродов.
При вычислении разности потенциалов
вычитание произво­дят из потенциала
более положительного электрода. Так,
для элемента Даниэля-Якоби:

Е = Ф+сu
– фzn

При активных
концентрациях ионов цинка и меди в
растворах, равных единице, ЭДС со­ставляет
1,1В. Электрическая работа, которую можно
получить от элемента при вытесне­нии
цинком 1 моля атомов меди, равна A
= nFE=
2-96484-1,1 =212265
Дж.

Гальванические
элементы можно разделить на три типа:
химические, концентрационные и топливные.
Химическими
называются
такие гальванические элементы, у которых
ЭДС возникает
вследствие различной химической природы
электродов. Примером может слу­жить
описанный элемент Даниэля-Якоби.

Гальванические
элементы могут быть составлены и из
двух одинаковых электродов, по­груженных
в раствор одного и того же электролита
с различной активной концентрацией
ионов. Такие элементы называются
концентрационными.
Например,
составим элемент из двух медных пластинок,
погруженных в растворы с разной
активностью ионов меди (а1
< а2),
и соединим растворы солевым мостиком
из КС1:

(-)Cu
|CuSO4
|
KCl | CuSO4
Cu(+)

По уравнению Нернста
потенциалы этих металлических электродов
равны:

второй электрод
бол ее положителен.

Действительно, чем
больше в растворе концентрация ионов
Си2+,
тем больше вероятность их перехода в
кристаллическую решетку металла и тем
положительнее должен быть потен­циал
металлического электрода. Таким образом,
между двумя медными электродами
возни­кает разность потенциалов

и, если соединить
их проводником, то в цепи пойдет
электрический ток. Для каждого элек­трода
окислительно-восстановительная реакция
выражается уравнением: СиСи2+
+ 2е. Очевидно, что в результате перехода
электронов от первой медной пластинки
ко второй, на первом электроде будет
происходить реакция растворения меди:
Си —» Си2+
+ 2е, а на вто­ром — осаждение меди:
Cu2++
2e
—> Си.

Элемент будет
работать до тех пор, пока первая пластинка
не растворится полностью или пока
концентрации растворов не выравняются.
Таким образом, источником энергии
концен­трационного гальванического
элемента являются диффузионные
осмотические силы, стре­мящиеся к
выравниванию концентраций.

Топливными
элементами
называются
такие гальванические элементы, с помощью
ко­торых энергию, выделяющуюся при
реакции окисления топлива (горючего),
получают не­посредственно в виде
электрического тока. В топливных
элементах те же реакции, что и при
сжигании топлива, идут гораздо медленнее.
В результате большее количество
химической энергии превращается в
работу.

Примером топливного
элемента может служить пропан-кислородный
элемент. Он состо­ит из раствора
электролита, например, серной кислоты
или гидроксида натрия, и двух инер­тных
электродов (например, платиновых). Пропан
и кислород пропускают, соответственно,
через анодное и катодное пространства,
где протекают следующие реакции:

на аноде: С3Н8
+ 6Н2О
— 20е -> ЗСО2
+ 20Н+,
на катоде: 5О2
+ 20Н+
+ 20е -»10Н2О.

Суммарная реакция

С3Н8
+ 5О2
-> ЗСО2
+ 4Н2О

идентична реакции
горения пропана в кислороде. Между
электродами устанавливается раз­ность
потенциалов, а по проволоке, соединяющей
электроды, течет ток от анода к катоду.
Роль электродов здесь двояка. Во-первых,
анод служит источником электронов, а
катод — их ловушкой. Во-вторых, на
поверхности электродов происходит
разложение молекул про­пана и кислорода
на атомы, т.е. электроды здесь действуют
как электрокатализатор.

При надлежащей
конструкции удается достигнуть к.п.д.
такого элемента до 70%, что вдвое превышает
к.п.д. двигателя внутреннего сгорания.
Кроме того, топливные элементы в отличие
от обычных источников энергии не создают
шума и вибрации, не образуют вы­хлопных
газов. Все перечисленные преимущества
топливных элементов создают широкие
перспективы для их внедрения в технику.

Типы гальванических элементов

Гальванические
элементы, непосредственно преобразующие
энергию химического процесса в
электрическую, называется химическими.
Она состоит из неодинаковых электродов
и, следовательно, для них характерна
различная химическая природа электродных
реакций. Элементы, состоящие из одинаковых
электродов, называются концентрационными.
В этих элементах в электрическую энергию
превращается работа процесса выравнивания
активностей окисленной и восстановленной
форм реагирующего вещества в обоих
электродах. Элементы, в которых один и
тот же раствор электролита является
общим для обоих электродов, называют
элементами
без переноса
.
У них отсутствует диффузионный скачок
потенциала. В противном случае говорят
од элементах с переносом, имея в виду
перенос ионов на границе контакта двух
различных растворов.

Химические элементы

К
химическим элементам с
переносом

относятся элемент ДаниэляЯкоби:

Если
устранить диффузионный потенциал, то
ЭДС этого элемента равна:

Примером
химического элемента без
переноса

может служить элемент Вестона

состоящий
из электрода I
рода
12,5%-ая
амальгама кадмия (раствор кадмия в
ртути) и электрода II
рода
ртутно-сульфатного.
ЭДС этого элемента незначительно зависит
от температуры и устойчива во времени,
поэтому элемент Вестона широко
используется в электрохимической
практике как источник стандартной ЭДС.

ЭДС
выражается уравнением:

Концентрационные элементы

Концентрационные
элементы может работать как источник
ЭДС до тех пор, пока активности окисленной
(или восстановленной) форм реагирующего
вещества в обоих электродах не
выравнивается. Для этих элементов
,
так как стандартные потенциалы электродов
равны между собой. Примером элементас
переносом ионов
являются
элемент

<

Серебряный
электрод, погруженный в разбавленный
раствор с активностью ионов серебра
а1,
растворяется и приобретает при этом
отрицательный заряд. В более
концентрированном растворе с активность
ионов серебра а2,
наоборот, на электроде выделяется
,
сообщая ему положительный заряд.

ЭДС
этого элемента, без учета диффузионного
потенциала,

Также
элементы нашли применение при решении
ряда теоретических и практических
задач: при определении произведений
растворимости, констант реакций
комплексообразования и др.

К
концентрационным элементам без переноса
относятся , например, элементы из двух
хлорных электродов с различным давлениями
газа в электродах и общим раствором
электролита (НСl).

<

Как
обычно, на отрицательном электроде
будет протекать реакция окисления:

на
положительном
реакция
восстановления:

.

Суммарный
процесс — выравнивание давлений газа
в электродах, приводящее к возникновению
ЭДС, величина которой равна:

Химические источники тока

К
достоинствам химических источников
тока относятся высокий КПД, бесшумность,
безвредность, возможность использования
в космосе и под водой, в переносных
устройствах, на транспорте и т.д.

К
химическим источникам тока относятся
гальванические элементы, аккумуляторы
и топливные элементы.

Типы электродов и гальванических элементов





Гальванические элементы. Различают концентрационные и химические гальванические элементы. Концентрационные элементы могут быть с переносом и без переноса вещества. Концентрационный элемент с переносом вещества получают, приводя в соприкосновение два раствора одного и того же электролита с разными концентрациями и помещая в эти растворы одинаковые электроды, обратимые по отношению к одному из ионов электролита. Примером концентрационного элемента такого типа может служить элемент [c.289]







Используемые в гальванических элементах электроды разделяют на три типа. [c.171]

    Скачки потенциалов на границах фаз 365 2. Электродвижущая сила гальванического элемента 368 3. Типы электродов 371 4. Стандартные электродные потенциалы и правило знаков 373 5. Концентрационные элементы. Диффузионный потенциал 375 6. Зависимость ЭДС от температуры 377 7. Измерение некоторых физико-химических величин методом ЭДС 380 8. Электродные процессы 382″ [c.400]

    Электроды типа водородного и хлорного, у которых материал электрода не участвует в потенциалопределяющих реакциях, называются газовыми электродами. Гальванические элементы, составленные из [c.90]

    Для возникновения э. д. с. необходимо два электрода из различных металлов (гальваническая пара) погрузить в растворы солей тех же металлов и обеспечить контакт между электродами и растворами. Такая система и будет называться гальваническим элементом. Надо заметить, что лучше брать один металл неблагородный (типа цинка), а второй — благородный (типа меди). При этом на границе каждого из электродов с раствором возникает двойной электрический слой, появляются значительные различия в величинах электродных потенциалов и при замыкании цепи довольно большая -величина э. д. с. [c.279]

    Типы электродов и гальванических элементов [c.124]

    Все электроды, из которых составляются гальванические элементы, можно разделить на следующие типы  [c.258]

    В гальванических элементах типа Даниэля —Якоби (.медно-цинковый) сами металлические электроды. принимают участие в окислительно-восстановительной реакции, лежащей в основе работы элемента. Однако большинство окислительно-восстановительных процессов в растворах протекают между простыми и сложными ионами. При измерении э. д. с. гальванического элемента на основе таких реакций применяют инертные электроды — платиновые или графитовые, которые не участвуют в протекающих химических взаимодействиях, а являются лишь передатчиками электронов между ионами-восстановителя.мн и ионами-окислителями. [c.112]

    По принципу действия последние подразделяются на два типа. Конструкция одного типа предусматривает наличие в приборе бесконечно большого внутреннего сопротивления, так что при подключении его к гальваническому элементу электроды последнего остаются практически разомкнутыми и термодинамическое равновесие в нем не нарушается. Это — современные ламповые вольтметры и потенциометры. Их используют при проведении особо точных измерений. [c.242]

    Электроды типа водородного и хлорного, у которых материал электрода не участвует в потенциалопределяющих реакциях, называются газовыми электродами. Гальванические элементы, составленные из двух газовых электродов, называются газовыми гальваническими элементами. [c.88]

    Э. д. с. гальванического элемента может рассматриваться как сумма нескольких отдельных скачков потенциала на границе раздела фаз. Существуют три различных типа скачков потенциала электрод- [c.292]

    Тип гальванического элемента, протекающие в нем химические реакции, его электродвижущие силы определяются образующими его полуэлементами (электродами). В связи с этим представляет интерес классификация электродов и характеристика электродных процессов. Принято различать электроды первого рода, второго рода, газовые, окислительно-восстановительные и некоторые » специальные виды. [c.256]

    Когда химическая система выполняет работу над своим окружением в ходе обратимого процесса, уменьшение свободной энергии системы в точности совпадает с той частью работы, которая не является работой типа PV. Например, работа, вьшолняемая гальваническим элементом, является мерой уменьшения свободной энергии этого элемента. И наоборот, если к электродам электролитического элемента, подобного описанному в разд. 1-7, приложено напряжение, то электрическая работа, выполняемая над электролитическим элементом (и измеряемая методами, которые будут рассматриваться в гл. 19), равна приросту свободной энергии химических вешеств внутри него. Когда при пропускании электрического тока через воду происходит ее электролитическая диссоциация, использованная для этого электрическая работа расходуется на увеличение свободной энергии газообразных водорода и кислорода по сравнению со свободной энергией жидкой воды  [c.71]

    В отчете представляют схемы используемых электродов и гальванических элементов, а также их условные записи. Результаты измерений оформляют в виде таблиц типа 10.1. Кривые титрования представляют в интегральной и дифференциальной формах в виде рисунков на миллиметровой бумаге. Находят к.т.т. и рассчитывают найденные количества кислот по уравнениям (10.16) и (10.17). Если проводят несколько титрований, то результаты обрабатывают статистически с применением /-критерия (см. гл. 1). [c.96]

    Вместо длин отрезков тип обычно измеряют их сопротивления Ят и Н . Поскольку В гальваническом элементе в качестве электрода сравнения используется стандартный водородный электрод, то искомый электродный потенциал будет равен измеренной компенсационным методом эдс. Например, если измеренная эдс гальванической цепи из стандартных водородного и медного электродов составляет +0,34 В, то, значит, стандартный потенциал меди равен [c.262]

    Для измерения э. д. с. гальванического элемента, составленного из электрода сравнения и исследуемого электрода, удобно пользоваться потенциометрами любого типа, имеющими две шкалы измерений одну — в единицах pH, вторую — в милливольтах. [c.111]

    В гальванических элементах различают три типа электродов. Электроды первого рода — металлы в растворах своих солей, их потенциалы определяются активностями катионов. Потенциалы электродов второго рода определяются активностями анионов и состоят из металла (например, Ag) и его малорастворимой соли (Ag l), находящихся в растворе легкорастворимой соли с одноименным анионом (КС1). На электроде происходит реакция Ag (T)=Ag++e. В присутствии КС1 проходит осаждение Ag++ l =Ag l (т). [c.124]

    Для примера рассмотрим применение иономера для определения рн водных растворов. В этом случае используют гальванический элемент с переносом, состоящий из стеклянного электрода с Н+-функцией (например, типа ЭСЛ-43-07 или ЭСЛ-63-07), погруженного в раствор, и хлорсеребряного электрода типа ЭВЛ-1МЗ в качестве сравнительного. [c.564]

    В гальванических элементах могут реализоваться два принципиально различных типа электрохимических редокс-взаимодействий. В первом случае сами электроды участвуют в окислительно-восстановительной реакции, как, например, в элементе Даниэля—Якоби. Гальванические цепи такого типа можно назвать редокс-цепями с расходуемыми или активными электродами. Во втором случае вещество электродов инертно по отношению к реакции, протекающей в растворе. Рассмотрим элемент, схема которого приведена на рис. 84. В отличие от элемента Даниэля—Якоби здесь электроды не участвуют во взаимодействии, а являются лишь передатчиками электронов между ионами, находящимися в растворах. Левый полуэлемент представляет собой раствор, состоящий из смеси солей и Sn , в который погружен платиновый электрод. На поверхности электрода устанавливается равновесие Sn + 2е» Sn , которое и определяет потенциал [c.179]

    Электрохимические элементы с внещними источниками напряжения, подобные изображенным на рис. 19-8 и 19-9, называются электролитическими элементами-, рассматривавшиеся выше элементы, в которых за счет протекающих внутри них химических реакций вырабатывается электрический ток, называют гальваническими элементами. В элементах обоих типов электрод, на котором происходит окисление, называется анодом, а электрод, на котором происходит восстановление,-катодом. [c.172]

    Для определения знака потенциала учтем, что в таких гальванических элементах направление реакций окисления-восстановления зависит от природы металла, и в них может происходить как вытеснение металла водородом, так и обратный процесс. Поэтому для установления знака электродного потенциала условились всегда считать его положительным при реакциях восстановления типа (1Х.23), где Ме+ приобретает электрон (восстанавливается). Если в действительности на электроде происходит окисление металла, то знак потенциала будет отрицательным. [c.233]

    Принципиально для конструирования гальванического элемента и яревращения убыли изобарно-изотермического потенциала — ДОг лри электрохимическом процессе в электрическую форму энергии можно использовать любую окислительно-восстановительную реакцию ионного типа. Рассмотрим работу никелево-цинкового (N1—2п) гальванического элемента (см. рис. 27). Электрический ток в нем возникает вследствие окислительного процесса, протекающего на границе Zn — раствор, содержащий ион Zп + (на цинковом электроде), и восстановительного на границе N1 — раствор, содержащий ионы N 2+ (на никелевом электроде). Цинковая и никелевая пластинки, опущенные в растворы своих солей, посылают в раствор разное количество ионов. Прн установившемся равновесии разность потенциалов на границах 2п — раствор и N1 — раствор по величине ле равна одна другой. Поверхность цинка имеет больший отрицательный заряд, чем поверхность никеля. Цинк обладает большей способностью посылать свои ионы в раствор, чем никель. При процессе 2п = 2п +-Ь2е —ЛОт больше, чем —АСг при процессе N1 = = Ы12+-(-2( . Когда цинковую пластинку с никелевой соединяют -проводником первого рода — медью, электроны с цинка перетекают а никель. Равновесие двойного электрического слоя на никелевом электроде нарушается, электродный процесс принимает обратное направление, иоиы N1 + из раствора переходят на никелевую пластинку. Нарушенное равновесие восстанавливается за счет того, что в раствор поступает новая порция ионов Zn + и разряжается эквивалентное число ионов N1 +. Снова возникает разное количество зарядов на цинковой и никелевой пластинках и переход электронов и т. д. В итоге на цинковом электроде протекает окислительный процесс Zп = Zп2+-t-2e(Zn). Электроны от цинковой пластинки переходят к никелевой 2e(Zn)- 2e(Ni). На никелевом электроде идет восстановительный процесс N +- -26(Ni) = N1. Запись пе(Ме) указывает, что электроны остаются в металле. [c.124]

    Если токообразующий процесс провести в обратимых условиях, то гальванический элемент произведет максимальную работу Атах, которая равна убыли изобарного потенциала системы — AG. Изменение изобарного потенциала вызвано совокупностью электрохимических реакций на обоих электродах, т. е. химической реакцией типа (V.1), либо другими физико-химическими процессами (растворение, выравнивание концентраций, фазовое превращение и т. п.), протекающими обратимо. Заставляя элемент работать при почти полной компенсации его э.д.с. наложенной разностью потенциалов, т. е. при состоянии, бесконечно близком к равновесию, можно вычислить изменение изобарного потенциала системы AG через измеренную э. д. с. Действительно, если в химическую реакцию или в другой токообразующий физико-химический процесс вступили z г-экв каждого из участников процесса, то соответствующее количество электричества равно zF, а полезная работа электрического тока, равная убыли изобарного потенциала, определяется выражением [c.139]

    Разность между стандартным потенциалом ф и потенциалом нулевого заряда фн является существенной характеристикой электрода, и возможность ее вычисления представляет безусловный интерес. Значение ф —фн может быть выведено из представлений о природе э. д. с. гальванического элемента типа [c.215]

    Разность потенциалов такого гальванического элемента довольно велика и составляет 1,36 В, а так как потенциал нормального водородного электрода равен О, то стандартный потенциал хлора будет равен 1,36 В. Зависимость от концентрации и температуры сохраняется и для этих электродов, но появляется новый фактор — давление газа. Если хлор заменить кислородом, получим водороднокислородный гальванический элемент, но в этом случае Аё не будет постоянной величиной, так как молекула кислорода вызывает в зависимости от условий окислительно-восстановительные процессы различного типа  [c.277]

    В устройствах обоих типов протекают окислительновосстановительные реакции (называемые электрохимическими), особенностью которых является не хаотичность, а пространственная локализация электронных переходов. Она достигается тем, что исключается прямой контакт между окислителем и восстановителем. Процессы окисления и восстановления оказываются пространственно разделенными и происходят в двойном электрическом слое (см. 1) у электродов, находящихся в замкнутом контуре. На рис. 58, а приведена схема химического источника тока (гальванический элемент или аккумулятор) и на рис. 58, б приведена схема электролитической ван- [c.235]

    Между двумя электродами из одного металла, погруженными в растворы, одинаковых солей различной концентрации, возникает э. д. с., зависящая только от разницы в концентрации солей (и температуры). Такого типа гальванические элементы называются концентрационными. Они используются при определениях растворимости солей, констант диссоциации кислот и оснований, констант нестойкости комплексных ионов и т. п. pH растворов определяется при помощи концентрационных элементов. Во второй части гл. 3 Вы познакомитесь с концентрационными элементами, научитесь вычислять pH и некоторые важные константы (ПР, Кнест), а также узнаете о направлении реакций коррозии и последовательности осаждения металлов при электролизе. (О вычислении pH и ПР см. в Программированном пособии по общей химии , стр. 252—303.) [c.91]

    Примером концентрационных гальванических элементов первого типа, называемых элементами с переносом, может служить элемент с электродами из серебра, погруженными в растворы нитрата серебра с активностями [c.59]

    В предыдущих главах были рассмотрены проблемы создания собственно ЭХГ. Как отмечалось, одно из принципиальных отличий ЭХГ от гальванических элементов и аккумуляторных батарей состоит в том, что активные вещества — топливо и окислитель не заложены в источнике, а подводятся непрерывно к электродам извне в течение всего периода работы генератора. Поэтому обязательной составной частью любого типа ЭУ на основе ЭХГ является система хранения и подготовки реагентов. [c.355]

    Электроды гальванических элементов могут быть двух типов. В первом из них ыагерлал электродов сам участвует в окислительно- [c.247]

    Некомпенсационный метод измерения э. д. с. Значения э. д. с. гальванического элемента устанавливают непосредственно на чувствительных измерительных приборах промышленного изготовления цифровом вольтметре постоянного тока П1, 1312 с сопротивлением от 10 до 10 Ом и отсчетом до 1 мВ гальванометрах ЛИФП с чувствительностью 10″ А типа М2012, типа 195 с чувствительностью 10 А и др. Шкалы приборов отградуированы в милливольтах или единицах pH. При измерениях надо учитывать, что проходящий через элемент ток более 10 А вызывает концентрационную и химическую поляризацию, и установленная э. д. с. меньше ра[зповесного значения. Несмотря на это, метод используют для не-компенсационного потенциометрического титрования с двумя металлическими электродами. [c.142]

    Для определения знака потенциала учтем, что в таких гальванических элементах направление реакций окисления-восстановле-ния зависит от природы металла, и в них может происходить как вытеснение металла водородом, так и обратный процесс. Поэтому для установления знака электродного потенциала условились всегда считать его положительным при реакциях восстановления типа (IX.24). Если в действительности на электроде происходит [c.179]

    Измерьте потенциалы металлов (цинк, медь, железо и т. п.) в 1 М растворах их солей по отношению к хлоридсе-ребряному электроду, составив гальванические элементы типа [c.341]

    Определение активности ионов — показателя активности рА — и концентрации с помощью ИСЭ сводится к измерению э. д. с. гальванического элемента типа (XXII), составленного из индикаторного электрода, селективного по отношению к определяемому иону А А (2а > О для катиона и 2л сравнительного электрода, потенциал которого известен. Иногда в элемент (XXII) включают солевой мост, если раствор в электроде сравнения имеет достаточно высокую концентрацию хлорида калия. Тогда этот раствор и служит солевым мостом .  [c.538]

    При электролизе водных растворов электролитов электродные процессы осложняются за счет конкуренции ионов (в электролизе могут участвовать ионы воды), перенапряжения (поляризации) и вторичных реакций в приэлектродном пространстве. Для осуществления химической реакции в электролизере в идеальном случае необходимо приложить внешнюю э.д.с., превышающую э.д.с. гальванического элемента на величину сопротивления раствора электролита. Тогда при наличии в растворе нескольких типов анионов и катионов на катоде в первую очередь восстанавливаются те катионы, которым отвечает наиболее положительное значение электродного потенциала в ряду напряжений. На аноде, соответственно, должны окисляться анионы с наиболее отрицательным значением потенциала. В реальных процессах этот порядок выделения ионов часто нарушается за счет перенапряжения. Для примера рассмотрим электролиз водного раствора соляной кислоты с платиновыми электродами. После начала процесса электролиза на катоде выделяется водород Н++е = Н, 2H = h3f, а на аноде — хлор С1-—е = С1°, 2 F = l2f. При этом газы адсорбиру- [c.297]

    Так как максимальная работа электродной реакции (по аналогии с максимальной работой гальванического элемента) связана с потенциалом электрода уравнением А=гРц>, то, очевидно, для системы с металлическим электродом типа Лie д — Мвтв ион Ме + является носителем заряда, и электрохимический процесс выражается через [c.13]

    В свою очередь, гальванические элементы также делят на два типа первичные и аторичные. Первичные элементы не могут быть возвращены в рабочее состояние после того, как их активное вещество уже однажды израсходовано. У таких элементов нельзя обращать электродный процесс, пропуская ток в обратном направлении. Этот тип гальванического элемента на практике называют просто элементом. Вторичные элементы можно регенерировать (заряжать) после истощения путем пропускания тока в обратном направлении. Это становится возможным вследствие электрохимической обратимости электродов. Такие гальванические элементы, используемые для получения электрической энергии, называют аккумуляторами. Аккумуляторы являются накопителями электрической эпеп пг и ниде химической. Рассмотрим наиболее распространенные па ирактпке ак- [c.248]

    Биметаллическая коррозия возникает при работе биметаллического коррозионного элемента, т.е. гальванического элемента, в котором электроды состоят из разных материалов. Они могут быть образованы двумя различными металлами или металлом и другим электронным проводником, например графитом или магнетитом (рис. 43). Биметаллическую коррозию часто называют гальванической корразиеО.Однако это понятие имеет и более широкую трактовку, которая включает в себя также коррозию в результате действия других типов элементов, например концентрационных. [c.39]

    Совокупность реагентов и электролита наз. электрохим. системой. В зависимости от эксплуатац. особенностей и типа электрохим. системы вьщеляют гальванич. элементы, аккумуляторы и топливные элементы. Гальванические элементы (первичные элементы) содержат определенный запас реагентов, после израсходования к-рого (после разряда) они становятся неработоспособными. В аккумуляторах (вторичных элементах) при пропускании тока от внеш. источника в обратном направлении происходит зарядка, т. е. регенерация реагентов, в связи с чем аккумуляторы м.б. многократно использованы. Такое деление условно, т. к. нек-рые первичные элементы также м.б. частично заряжены. Топливные элементы (электоохим. генераторы) допускают длительную непрерывную работу благодаря постоянному подводу к электродам новых порций реагентов (жидких или газообразных) и отводу продуктов р-ции, Существуют X. и. т. комбинированного типа, содержащие как твердый, так и жидкие или газообразные реагенты. Наиб, известны металловоздушные источники тока, в к-рых окислителем служит воздух. [c.248]

    Гальванические элементы, состоящие из двух газовьк электродов, называются газовыми гальваническими элементами. Электроды типа водородного, у которых материал электрода не участвует в потенциалопределяющих реакциях, называют газовыми электродами. Кроме водородного электрода, у которого на границе раздела платина — раствор возникает скачок потенциала, определяемый реакцией [c.60]

    Недостаток описанных электродов заключается в том, что они даже без электрической нагрузки более илн менее медленно дегидрируют примешанное к электролиту жидкое топливо и вследствие этого бесполезно потребляют его. Можно исключить бесполезное расходование жидкого топлива, используя описанные в разд. 7.4 вентильные электроды . Этот тип двухслойного электрода состоит из никелевого ДСК-электрода с равновесными порами (в них и происходит дегидрирование) и нанесенного на него мелкопористого запорного слоя из неактивного материала, например меди дегидрирование прерывается по тому же принципу, что и в аппарате Киппа [15, 16]. Описанные здесь эксперименты основаны на идее, что гальванические элементы для холодного сжигания жидких топлив имеют такое же право на выбор необходимых веществ (например, с точки зрения смешиваемости с электролитом и легкой дегидрируемости), как и карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания на выбор нефтяных продуктов (например, относительно давления паров, воспламеняемости и октанового числа). Однако, учитывая широкое распространение и дешевизну таких производных нефти, как бензин и дизельное масло, были поставлены опыты по электрохимическому использованию также и этих топлив. [c.298]


Гальванические элементы — Электростанции





В настоящее время не стоит вопрос о получении с помощью гальванических элементов больших количеств электрической энергии и это вряд ли целесообразно, поскольку потребности современного общества в электроэнергии вполне удовлетворяются за счет сети электропередач. Однако в технике и быту постоянно растет число таких приборов, машин и сигнальных устройств, для которых требуются автономные, малогабаритные легкие и надежные источники тока. Здесь можно назвать аккумуляторы для автомобилей и самолетов, источники тока для электроинструментов, сигнальных устройств, транзисторных приемников, электрических карманных фонариков, наручных часов и т.д. и, конечно же, для искусственных спутников Земли и космических лабораторий. Гальванические элементы находят также применение в различных предохранительных устройствах.

Црактика предъявляет к современным гальваническим элементам весьма разнообразные требования. Вследствие все возрастающего и весьма разнообразного спроса на гальванические элементы в последнее время вновь расширяются научные исследования, направленные на разработку новых и усовершенствование старых типов элементов.

Гальванические элементы как источники электрической энергии обладают существенными преимуществами: они могут быть различных размеров и форм, не имеют макроскопически подвижных, подверженных износу частей, относительно легки и автономны, мало чувствительны к вибрации и колебаниям температуры, работают бесшумно, хорошо регулируются. Их КПД довольно высок (до 90%), так как превращение химической энергии в электрическую совершается в них без промежуточной тепловой стадии, а электродные процессы в некоторых случаях близки к обратимым.

Типы гальванических элементов.

Гальванические элементы, применяемые на практике для получения электрической энергии, делятся на первичные и вторичные.

Первичные элементы не могут быть возвращены в рабочее состояние после того, как их наполнитель (активное вещество) был уже однажды израсходован. В этом случае говорят, что элемент истощен. У таких элементов нельзя или по меньшей мере неэкономично обращать электродный процесс, пропуская ток в обратном направлении. Этот тип обычно называют просто элементом.

Вторичные элементы или аккумуляторы можно регенерировать после истощения, если пропустить через них ток в обратном направлении (зарядить), потому что процессы генерации тока, происходящие на их электродах, с хорошим приближением электрохимически обращаемы. Принципиального же различия между первичными и вторичными элементами нет.

Основными требованиями к гальваническим элементам являются следующие: большой срок службы, высокие плотность тока и напряжение на клеммах. Желательно также, чтобы они обладали высоким КПД, использовали дешевые активные вещества, имели малые размеры и вес, были просты по устройству и долговечны.

Основные параметры гальванических элементов

Рассмотрим основные параметры гальванических элементов.

Электродвижущая сила — разность потенциалов между электродами гальванического элемента* когда между электродами и раствором существует равновесие и через элемент не проходит ток. Значение эдс не зависит ни от размеров элемента, ни от его внутреннего сопротивления, а является лишь функцией состава электродов и концентрации электролита.

Напряжение на клеммах — разность потенциалов между полюсами в процессе прохождения тока, когда полюса соединены между собой через сопротивление. Напряжение на клеммах меньше, чем эдс, причем различие между ними тем меньше, чем меньше внутреннее сопротивление элемента по сравнению с внешним и чем меньше поляризованы электроды.

Внутреннее сопротивление — выраженное в омах сопротивление электродов и находящегося между ними раствора электролита.

Емкость элемента — выраженное в кулонах или ампер-часах количество электричества, которое элемент способен отдать при соответствующих условиях. У аккумуляторов следует отличать разрядную емкость от зарядной. Обычно емкость выражают через электрическую энергию и в большинстве случаев измеряют ватт-часах или киловатт-часах. Емкость элемента данного типа тем больше, чем большее количество электрохимически активных веществ, которые превращают химическую энергию в электрическую, он содержит и чем меньше плотность генерируемого тока.

Мощность элемента — это количество электрической энергии, получаемое за секунду, равное напряжению на клеммах, умноженному на силу тока, которую без ущерба может дать элемент. Максимальная сила тока, которую можно получить от элемента, определяется этой мощностью, деленной на напряжение на клеммах.

Существенным недостатком гальванических элементов является саморазряд — расходование ими электрохимически активных веществ при отсутствии внешнего тока. Причиной этого может быть- например, растворение металла электродов вследствие образования так называемых локальных элементов, или протекание процесса, генерирующего ток, «непосредственным химическим» путем, или же недостаточная изолирующая способность диэлектрических деталей элемента. Саморазряд уменьшает срок службы элемента, последний со временем становится непригодным, даже если он вообще не использовался для получения энергии.


Всего комментариев: 0


устройство и работа солевых, щелочных и литиевых батарей и аккумуляторов

Разные виды гальванических элементов преобразовывают свою химическую энергию в электрический ток. Своё название они получили в честь итальянского учёного Гальвани, который проводил первые подобные эксперименты и исследования. Электричество вырабатывается благодаря химическому взаимодействию двух металлов (обычно цинка и меди) в электролите.

Принцип действия

Учёные помещали в ёмкости с кислотой медную и цинковую пластинку. Их соединяли проводником, на первой образовывались пузырьки газа, вторая начинала растворяться. Это доказывало то, что по проводнику протекает электрический ток. После Гальвани опытами занялся Вольт. Он создал элемент цилиндрической формы, похожий на вертикальный столбец. В его составе были цинковые, медные и суконные кольца, предварительно пропитанные кислотой. Первый элемент имел высоту в 50 см, и выработанное им напряжение чувствовалось человеком.

Принцип работы заключается в том, что два вида металла в электролитической среде вступают во взаимодействие, в результате которого по внешней цепи начинает проходить ток. Современные гальванические элементы и аккумуляторы называют батарейками. Их напряжение зависит от используемого металла. Устройство помещено в цилиндр из мягкой жести. В качестве электродов выступают сетки с окислительным и восстановительным напылением.

Преобразование химической энергии в электричество исключает возможность восстановления свойств батареек. Ведь при работе элемента реагенты расходуются, из-за чего уменьшается ток. Восстановителем обычно служит отрицательный вывод из лития или цинка. Во время функционирования он теряет электроны. Положительную часть изготавливают из металлических солей или оксида магния, она выполняет работу окислителя.

В обычных условиях электролит не пропускает ток, он распадается на ионы только во время замыкания цепи. Именно это обуславливает появление проводимости. В качестве электролита используют раствор кислоты, натриевые или калиевые соли.

Разновидности элементов

Батарейки используют для питания приборов, устройств, техники, игрушек. Все гальванические элементы по схеме делят на несколько видов:

  • солевые;
  • щелочные;
  • литиевые.

Наиболее популярные — солевые батарейки, изготовленные из цинка и марганца. Элемент сочетает в себе надёжность, качество и приемлемую цену. Но в последнее время производители снижают или полностью прекращают их изготовление, так как со стороны фирм, выпускающих бытовую технику, к ним постепенно повышают требования. Основные преимущества гальванических батарей этого типа:

  • универсальные параметры, позволяющие использовать их в разных областях;
  • лёгкая эксплуатация;
  • невысокая стоимость;
  • простые условия производства;
  • доступное и недорогое сырье.

Среди недостатков выделяют небольшой срок службы (не более двух лет), уменьшение свойств из-за низких температур, уменьшение ёмкости при повышении тока и снижение напряжения во время работы. Когда солевые батарейки разряжаются, они могут потечь, так как положительный объем электрода выталкивает электролит. Проводимость повышают графит и сажа, активная смесь состоит из диоксида марганца. Срок эксплуатации напрямую зависит от объёма электролита.

В прошлом столетии появились первые щелочные элементы. Роль окислителя в них играет марганец, а восстановителя — цинковый порошок. Корпус батарейки амальгамируют во избежание появления коррозии. Но использование ртути запретили, поэтому их покрывали смесями из цинкового порошка с ингибиторами ржавчины.

Активное вещество в устройстве гальванического элемента — это цинк, индий, свинец и алюминий. В активную массу входят сажа, марганец и графит. Электролит изготавливают из калия и натрия. Сухой порошок значительно повышает функционирование батарейки. При таких же габаритах, как у солевых видов, щелочные имеют большую ёмкость. Они продолжают хорошо работать даже при сильном морозе.

Литиевые элементы используют для питания современной техники. Их выпускают в виде батареек и аккумуляторов разных размеров. В составе первых находится твёрдый электролит, в других устройствах — жидкий. Такой вариант подходит для приборов, требующих стабильного напряжения и средних зарядов тока. Литиевые аккумуляторы можно заряжать несколько раз, батарейки используют только однажды, их не вскрывают.

Сфера применения

К производству гальванических элементов выдвигают ряд требований. Корпус батареек должен быть надёжным и герметичным. Электролит не должен вытекать, а также нельзя допускать попадания внутрь устройства посторонних веществ. В некоторых случаях при вытекании жидкости она загорается. Повреждённый элемент нельзя использовать. Габариты у всех батареек практически одинаковы, отличаются только размеры аккумуляторов. Элементы могут иметь разную форму: цилиндрическую, призматическую или дисковую.

У всех типов устройств есть общие достоинства: они компактны и имеют незначительный вес, приспособлены к разным диапазонам рабочей температуры, обладают большой ёмкостью и стабильно работают в разных условиях. Есть также и некоторые недостатки, но они касаются определённых типов элементов. Солевые служат недолго, литиевые устроенные так, что могут воспламеняться при разгерметизации.

Сферы применения батареек многочисленны:

  • цифровая техника;
  • детские игрушки;
  • медицинские приборы;
  • оборонная и авиационная промышленность;
  • космическое производство.

Гальванические элементы легко использовать, они доступны по стоимости. Но с некоторыми видами нужно обращаться аккуратно и не использовать их в случае повреждения. Перед приобретением батареек нужно внимательно изучить инструкцию прибора, который они будут питать.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И БАТАРЕИ | Основы электроакустики

Гальванический элемент, изобретенный Вольтом (в честь его названа ныне всем известная единица измерения напряжения или электродвижущей силы — вольт), как все гениальное, предельно прост — это просто два электрода, опущенных в баночку с раствором электролита. Работа гальванического элемента основана на возникновении так называемой контактной разности потенциалов между про­водящим ток предметом (электродом) и электролитом. В качестве последнего обычно выступают кислотные, соля­ные или щелочные растворы. Когда электроды изготовлены из разных материалов, то между ними, находящимися в электролите, возникают разные по величине электродвижу­щие силы. Их разность и используется для питания различ­ных радиоэлектронных устройств. Она имеет порядок от долей вольта до нескольких вольт. Упомянутая конструкция, разумеется, давно не при­меняется. Хотя бы потому, что не является герметичной. А между тем раствор электролита (соляной или щелоч­ной) опасен для человека и способен разъедать все, на что он попадает. Современные элементы имеют герметич­ный корпус. Наиболее распространены цилиндрические элементы, но существуют и элементы в прямо­угольных корпусах и таблеточных. Они имеют металли­ческий стаканчик (например, цинковый) — один электрод, и угольный стержень в нем — другой электрод. Стаканчик заполнен пористым веществом, пропитанным электроли­том, и имеет герметичную крышку.

К. сожалению, как только гальванический элемент на­чинает отдавать ток во внешнюю цепь, в нем происхо­дит химическая реакция, ведущая к растворению матери­алов электродов и ослаблению концентрации электролита (его истощению). Это та неизбежная цена, которую прихо­дится платить за преобразование химической энергии в электрическую. Эта реакция медленно идет и при отсут­ствии тока во внешней цепи, что приводит к саморазряду элемента и снижению его емкости по мере хранения.

Как отмечалось, сейчас используются почти исключи­тельно герметичные конструкции гальванических элемен­тов, например, в цилиндрических корпусах (стаканчиках) . К сожалению, абсолютно герметичные элементы используются лишь в технике специального назначения (например, космической или военной). Они очень дороги. Обычные элементы имеют неплохую степень герметич­ности — как правило, утечка электролита из них возможна только после примерно года эксплуатации, а у некоторых элементов даже спустя много лет.

Химические источники тока (ХИТ) в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых ХИТ. 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 ЭВМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр. 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.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА  Гальванические источники тока одноразового действия представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются сухими элементами. Этот термин используется применительно ко всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы.  Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др. Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление — на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи. Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент, работающий за счет энергии приведенной выше реакции между цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала. При работе элемента, т.е. при замкнутой цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением: Zn = Zn2+ + 2e- На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:  Cu2+ + 2e- = Cu  Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакций. Таким образом, при работе гальванического элемента, электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.

  • Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом(цинк).
  • Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом (медь).

В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно- восстановительная реакция. Однако, число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.  В отличие от медно-цинкового элемента, во всех современных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два, а один электролит; такие источники тока значительно удобнее в эксплуатации.

ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Угольно-цинковые элементы  Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму.Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими. Угольно-цинковые элементы «восстанавливаются» в течении перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического «отдыха» срок службы элемента продлевается. Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5…10 Вт/кг) и малый срок хранения. Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

Щелочные элементы  Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом. Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, вследствие чего газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений.

Ртутные элементы Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором щелочи. Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не следует выбрасывать после их полного использования. Они должны поступать на вторичную переработку.

Серебряные элементы Они имеют «серебряные» катоды из Ag2O и AgO.

Литиевые элементы  В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.
Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом по отношению ко всем металлам, литиевые элементы характеризуются наибольшим номинальным напряжением при минимальных габаритах. Ионная проводимость обеспечивается введением в растворители солей, имеющих анионы больших размеров. К недостаткам литиевых элементов следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны.
Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.

условных обозначений электрохимических ячеек — Chemistry LibreTexts

Использование химических реакций для производства электричества сейчас является приоритетом для многих исследователей. Возможность адекватно использовать химические реакции в качестве источника энергии во многом поможет решить наши проблемы с загрязнением окружающей среды. В этом разделе электрохимии мы узнаем, как использовать химические реакции для производства чистого электричества и даже использовать электричество для генерации химических реакций. Чтобы вызвать поток электрических зарядов, мы помещаем полоску металла (электрод) в раствор, содержащий тот же металл, который находится в водном состоянии.Комбинация электрода и его раствора называется полуячейкой. Внутри полуячейки ионы металлов из раствора могут получать электроны от электрода и становиться атомами металлов; или атомы металлов от электрода могут терять электроны и становиться ионами металлов в растворе.

Введение

Мы используем две разные полуячейки, чтобы измерить, насколько легко электроны могут перетекать от одного электрода к другому, и устройство, используемое для измерения, называется вольтметром. Вольтметр измеряет потенциал ячейки, обозначенный E cell , (в вольтах, 1V = 1J / C), который представляет собой разность потенциалов между двумя половинными ячейками.Солевой мостик позволяет ионам перемещаться из одной половины ячейки в другую, но предотвращает поток растворов.

Как показано на схеме, анод — это электрод, на котором происходит окисление; Cu теряет два электрона с образованием Cu +2 . Катод — это электрод, на котором происходит восстановление; Ag + (водный) приобретает электрон, чтобы стать Ag (s). В качестве удобной замены рисунка мы используем схему ячейки, чтобы показать части электрохимической ячейки. Например, приведенная выше диаграмма ячеек:

Zn (ов) | Zn 2 + (водн.) || Cu 2 + (водн.) | Cu (т)

окисление — (полуэлемент) (солевой мостик) (полуэлемент) — восстановление

Где мы размещаем анод слева и катод справа, «|» представляет собой границу между двумя фазами, а «||» представляет собой солевой мостик.Электрохимические ячейки бывают двух типов:

Гальванический элемент (он же гальванический элемент) вызывает спонтанную окислительно-восстановительную реакцию для создания потока электрических зарядов или электричества. Неперезаряжаемые батареи являются примерами гальванических элементов.

  • A Реакция является спонтанной, когда изменение энергии Гибба ∆G <0.
  • Электроны текут от анода (отрицательно, поскольку здесь накапливаются электроны) к катоду (положительно, поскольку он набирает электроны).

Электролитическая ячейка — это один из видов батарей, для которых требуется внешний источник электричества для запуска неспонтанной окислительно-восстановительной реакции.При перезарядке аккумуляторные батареи действуют как электролитические ячейки.

  • Реакция не является спонтанной, если ∆G> 0.
  • Должен подавать электроны на катод для восстановления, поэтому катод отрицательный.
  • Должен удалить электроны с анода, чтобы вызвать окисление, чтобы анод был положительным.

Гальванические и электролитические ячейки содержат:

  • Два электрода: анод и катод (ПРИМЕЧАНИЕ: катод не означает +, а анод не означает -)
  • Вольтметр: измеряет электрический ток.В гальванических элементах это показывает, какой ток вырабатывается; в электролитических ячейках это показывает, какой ток заряжает систему.
  • Электролит
    • проводящая среда
    • имеет контакт с электродами
    • обычно в водном растворе ионных соединений
  • Соляной мост
    • соединяет две половины электрохимической ячейки
    • залит солевым раствором или гелем
    • сохраняет решение отдельно
    • Замыкает цепь

Базовая терминология

  • В электрохимических элементах используется обширная терминология.Вот краткое определение некоторых наиболее распространенных терминов:
  • Напряжение — разность потенциалов между двумя половинками ячеек, а также количество энергии, которое вызывает реакцию. Напряжение — это интенсивное свойство (величина напряжения имеет значение).
  • Ток — поток электрических зарядов (в единицах электронов в секунду). Это обширная собственность (значение тока имеет значение). ПРИМЕЧАНИЕ. Высокое напряжение не означает большой ток.
  • Primary Battery — неперезаряжаемые батареи.AA, AAA и т. Д.
  • Secondary Battery — Аккумуляторные батареи. Литиевые, батарейки для сотовых телефонов и т. Д.
  • Tertiary Battery — Топливные элементы. Хотя они не всегда рассматриваются как батареи, они часто требуют постоянного потока реагентов.

Гальванический элемент (он же гальванический элемент)

Zn (ов) | Zn 2 + (водн.) || Cu 2 + (водн.) | Cu (т)

Гальванический элемент производит электрический заряд из потока электронов.Электроны движутся за счет окислительно-восстановительной реакции. Как видим, Zn окисляется до Zn 2 + , а Cu 2 + восстанавливается до Cu. Чтобы понять окислительно-восстановительную реакцию, решите уравнение окислительно-восстановительного потенциала.

Во-первых, разделите реакцию на две половинные реакции, в которых одни и те же элементы соединены друг с другом.

Zn (S) → Zn +2 (водн.) Реакция окисления: происходит на аноде

Cu +2 (водн.) → Cu (s) Реакция восстановления: происходит на катоде

Затем мы уравновешиваем два уравнения.

Окисление: Zn (S) → Zn 2 + (водн.) + 2e (анод)

Восстановление: 2e + Cu 2 + (водн.) → Cu (s) (катод)

Спонтанная окислительно-восстановительная реакция высвобождает энергию; Система работает с окружением.)

Наконец, мы рекомбинируем два уравнения. Как видите, это уравнение уже сбалансировано. Однако не все клетки обязательно сбалансированы.Важно каждый раз проверять. Гальванические элементы встречаются довольно часто. Батареи A, AA, AAA, D, C и т. Д. Являются гальваническими элементами. Любая неперезаряжаемая батарея, не зависящая от внешнего источника электроэнергии, является гальваническим элементом.

Электролитическая ячейка

Cu (s) | Cu 2 + (водн.) || Ag + (водн.) | Ag (т)

Электролитическая ячейка — это ячейка, которая требует внешнего источника электричества для инициирования окислительно-восстановительной реакции.Процесс того, как электрическая энергия вызывает несамопроизвольную реакцию, называется электролизом. В то время как гальванический элемент использовал окислительно-восстановительную реакцию, чтобы заставить электроны течь, электролитическая ячейка использует движение электронов (в источнике электричества), чтобы вызвать окислительно-восстановительную реакцию. В электролитической ячейке электроны вынуждены течь в противоположном направлении. Поскольку направление гальванической ячейки обратное, ячейка E 0 для электролитической ячейки является отрицательной. Кроме того, чтобы заставить электроны течь в противоположном направлении, электродвижущая сила, соединяющая два электрода-батареи, должна быть больше, чем величина E 0 , ячейка . Это дополнительное требование напряжения называется перенапряжением.

Электролитическая ячейка для примера выше:

Окисление: Cu (s) → Cu 2 + (водн.) + 2e (анод)

Восстановление: Zn 2 + (водн.) + 2e → Zn (s) (катод)

(Непонтанная окислительно-восстановительная реакция поглощает энергию, приводящую ее в движение; окружение действительно работает в системе.)

Гальваника: превращает химическую энергию в электрическую

Электролитическая ячейка: превращает электрическую энергию в химическую

Наиболее распространенной формой электролитической ячейки является аккумуляторная батарея (сотовые телефоны, mp3 и т. Д.) Или гальваника.Пока в устройстве используется аккумулятор, он выполняет функцию гальванического элемента (используя окислительно-восстановительную энергию для производства электричества). Пока аккумулятор заряжается, он выполняет функцию электролитической ячейки (используя внешнее электричество для обращения вспять завершенной окислительно-восстановительной реакции).

Инертный и активный электрод

Инертный электрод — это металл, погруженный в водный раствор ионных соединений, который переносит электроны, а не обменивается ионами с водным раствором. Он не участвует и не вмешивается в химическую реакцию, но служит источником электронов.Платина обычно используется в качестве инертного электрода. Активный электрод — это электрод, который может окисляться или восстанавливаться за половину реакции. Например, Cu; Cu может окисляться до Cu 2+ на аноде, и один ион Cu 2 + также может восстанавливаться до атома Cu на катоде. Cu переносится от анода к катоду через раствор как Cu 2 + из приведенного выше примера.

Анод: Fe 2 + (водн.) → Fe 3 + (с) + e

Катод: MnO 4 (водн.) + 8H + (водн.) + 5e → Mn 2+ (водн.) + 4H 2 O (л )

Внешние ссылки

Список литературы

  1. Петруччи, Харвуд, Сельдь и Мадура. Общая химия: принципы и современные приложения: девятое издание. Нью-Джерси: Пирсон, 2007.
  2. Профессор Дельмар Ларсен. Лекции 2, 3 и 6. Весна 2010 г.
  3. Ригер, Филипп. Электрохимия. 2, проиллюстрировано. Springer Us, 1994. 112–113. Распечатать.
  4. Хаманн, Карл, Эндрю Хамнетт и Вольф Вильстих. Электрохимия. 2, проиллюстрировано. Vch Verlagsgesellschaft Mbh, 2007. 82. Печать.

Определение электрохимической ячейки — химический словарь

В простейшем случае электрохимическая ячейка состоит из двух электронных проводников, разделенных ионным проводником и связанных электронным проводником.

  • ионный проводник называется электролитом
  • электронные проводники, разделенные электролитом, называются электродами
  • Электронный проводник, используемый для соединения электродов, часто представляет собой металлический провод, например медный провод

Два типа ячеек

Есть два основных типа электрохимических ячеек: гальванические и электролитические.

Гальванические элементы преобразуют химическую потенциальную энергию в электрическую.

Преобразование энергии достигается спонтанным (ΔG

Электролитические ячейки приводятся в действие внешним источником электрической энергии.Поток электронов запускает неспонтанные (ΔG ≥ 0) окислительно-восстановительные реакции.

Примеры

  • Батарея, питающая что-то, является примером гальванического элемента.
  • Перезаряжаемые батареи являются примерами обоих типов элементов: они работают как гальванические элементы, когда они питают устройство, и как электролитические элементы, когда они перезаряжаются.
  • Примеры электролитических ячеек также включают те, которые используются для разделения воды на водород и кислород, и те, которые преобразуют алюминиевую руду в металлический алюминий.

Источник термодинамических данных

В дополнение к практическим применениям, таким как описанные выше, электрохимические ячейки обеспечивают отличный способ сбора термодинамических данных.
Например, они позволяют определять стандартные окислительно-восстановительные потенциалы, из которых можно легко получить стандартную энтальпию, стандартную энтропию и стандартные данные свободной энергии Гиббса для реакций.

Реакции разделения

Электрохимические ячейки банка:

  • подавать электроэнергию, или
  • превращают металлические руды в металл, или
  • предоставляет термодинамические данные,

, потому что окислительно-восстановительные реакции протекают отдельно.

Пример: ячейка Даниэля

В электрохимических ячейках реакции протекают на отдельных электродах, да и сами электроды могут быть размещены в разных сосудах.
Рассмотрим одну из первых гальванических ячеек, ячейку Даниэля.

Источник энергии ячейки Даниэля — это спонтанная реакция металлического цинка с сульфатом меди с образованием сульфата цинка и металлической меди.

Zn (т.) + Cu 2+ (водн.) → Zn 2+ (водн.) + Cu (т.)
ΔG ° = -212.6 кДж моль -1

Когда материалы собраны вместе:

  • при прямом контакте в одном сосуде, химическая потенциальная энергия преобразуется в тепловую энергию, и реакционный сосуд нагревается
  • в электрохимической ячейке химическая потенциальная энергия преобразуется в электрическую энергию

The Daniell Cell

Ячейка Даниэля состоит из двух полуэлементов: в одной ионы меди восстанавливаются, а в другой окисляется цинк.

Когда ячейка работает, Cu 2+ удаляется из одной ячейки, а Zn 2+ образуется в другой ячейке.Медный электрод начинает расти по мере того, как на него наносится свежеосажденная металлическая медь, а цинковый электрод начинает уменьшаться из-за потери цинка в виде ионов в раствор.

Солевой мостик в приведенном выше случае представляет собой стеклянную трубку, заполненную насыщенным раствором KNO 3 .
Он имеет фритты на концах, которые предотвращают смешивание растворов в каждой из полуячеек, но позволяют ионам проходить через них, замыкая электрическую цепь и сохраняя электрическую нейтральность каждой полуячейки.

Движущая сила та же ΔG ° = -212.6 кДж моль -1 , что получается при простом смешивании реагентов в одном сосуде;
разделив две половинные реакции, электроны должны пройти по проволоке, и мы сможем использовать электрическую энергию.

электрохимических ячеек | Безграничная химия

Гальванические элементы

Гальванический элемент — это устройство, которое вырабатывает электрический ток из энергии, выделяемой в результате спонтанной окислительно-восстановительной реакции в двух полуячейках.

Цели обучения

Напомним, что восстановление происходит на катоде, а окисление происходит на аноде в гальваническом элементе

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Окисление описывает потерю электронов молекулой, атомом или ионом.
  • Редукция описывает усиление электронов молекулой, атомом или ионом.
  • Электроны всегда текут от анода к катоду.
  • Полуячейки соединены солевым мостиком, который позволяет ионам в растворе перемещаться из одной полуячейки в другую, так что реакция может продолжаться.
Ключевые термины
  • окислительно-восстановительный потенциал: обратимая химическая реакция, в которой одна реакция является окислением, а обратная — восстановлением.
  • полуэлемент: любая из двух частей электрохимической ячейки, содержащая электрод и электролит.
  • гальванический элемент: Элемент, например, в батарее, в котором в результате необратимой химической реакции вырабатывается электричество; аккумулятор, который нельзя перезарядить.

Электрохимическая ячейка — это устройство, вырабатывающее электрический ток из энергии, выделяющейся в результате спонтанной окислительно-восстановительной реакции. Этот вид ячейки включает гальваническую или гальваническую ячейку, названную в честь Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта. Эти ученые провели несколько экспериментов с химическими реакциями и электрическим током в конце 18 века.

Электрохимические ячейки имеют два проводящих электрода, называемых анодом и катодом. Анод определяется как электрод, на котором происходит окисление. Катод — это электрод, на котором происходит восстановление. Электроды могут быть изготовлены из любых достаточно проводящих материалов, таких как металлы, полупроводники, графит и даже проводящие полимеры. Между этими электродами находится электролит, содержащий ионы, которые могут свободно перемещаться.

В гальванической ячейке используются два разных металлических электрода, каждый в растворе электролита.Анод подвергнется окислению, а катод — восстановлению. Металл анода окислится, переходя от степени окисления 0 (в твердой форме) к положительной степени окисления, и он станет ионом. На катоде ион металла в растворе будет принимать один или несколько электронов от катода, и степень окисления иона снизится до 0. Это образует твердый металл, который откладывается на катоде. Два электрода должны быть электрически соединены друг с другом, чтобы обеспечить поток электронов, который покидает металл анода и проходит через это соединение к ионам на поверхности катода.Этот поток электронов представляет собой электрический ток, который можно использовать для работы, например, для поворота двигателя или включения света.

Пример реакции

Принцип действия гальванического элемента — это одновременная реакция окисления и восстановления, называемая окислительно-восстановительной реакцией. Эта окислительно-восстановительная реакция состоит из двух полуреакций. В типичном гальваническом элементе окислительно-восстановительная пара — это медь и цинк, представленные в следующих полуэлементных реакциях:

Цинковый электрод (анод): Zn (s) → Zn 2+ (водн.) + 2 e

Медный электрод (катод): Cu 2+ (водн.) + 2 e → Cu (s)

Ячейки построены в отдельных стаканах.Металлические электроды погружены в растворы электролита. Каждая полуячейка соединена солевым мостиком, который обеспечивает свободный перенос ионных частиц между двумя клетками. Когда цепь замкнута, ток течет, и ячейка «производит» электрическую энергию.

Гальванический или гальванический элемент: Элемент состоит из двух полуэлементов, соединенных солевым мостиком или проницаемой мембраной. Электроды погружены в растворы электролита и подключаются через электрическую нагрузку.

Медь легко окисляет цинк; анод — цинк, а катод — медь.- \ rightarrow \ text {Cu} [/ latex]). Во время реакции будет использоваться цинковый электрод, и металл будет уменьшаться в размерах, в то время как медный электрод станет больше из-за образовавшейся осажденной меди. Солевой мостик необходим, чтобы заряд не проходил через ячейку. Без солевого мостика электроны, образующиеся на аноде, будут накапливаться на катоде, и реакция прекратится.

Гальванические элементы обычно используются в качестве источника электроэнергии. По своей природе они производят постоянный ток.Батарея — это набор гальванических элементов, соединенных параллельно. Например, свинцово-кислотная батарея имеет элементы с анодами из свинца и катодами из диоксида свинца.

Ячейки электролитические

Электролиз использует электрическую энергию, чтобы вызвать химическую реакцию, которая затем происходит в электролитической ячейке.

Цели обучения

Вспомните три компонента, необходимые для создания электролитической ячейки

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Электрометаллургия — это процесс восстановления металлов из металлических соединений для получения металла в чистой форме с помощью электролиза.
  • Электролиз иногда можно рассматривать как работу гальванического элемента, не являющегося самопроизвольным.
  • Электроды из металла, графита и полупроводников широко используются в электролизе.
  • Другие системы, в которых используется электролитический процесс, используются для производства металлического натрия и калия, газообразного хлора, гидроксида натрия и хлората калия и натрия.
Ключевые термины
  • электролиз: химическое изменение, возникающее при пропускании электрического тока через проводящий раствор или расплав соли.
  • электролитический: относящийся к электролизу или использующий его.

В химии и производстве электролиз — это метод использования постоянного электрического тока (DC) для запуска в противном случае не спонтанной химической реакции. Электролиз является коммерчески важным этапом в процессе отделения элементов из природных источников, таких как руда.

Электролиз — это прохождение постоянного электрического тока через ионное вещество, которое либо расплавлено, либо растворено в подходящем растворителе, что приводит к химическим реакциям на электродах и разделению материалов.

Электролиз иногда можно рассматривать как работу гальванического элемента, не являющегося самопроизвольным. В зависимости от того, насколько свободно элементы отдают электроны (окисление) и насколько энергетически выгодно элементам получать электроны (восстановление), реакция может не быть спонтанной. Путем подачи извне энергии для преодоления энергетического барьера спонтанной реакции желаемая реакция «разрешается» протекать при особых обстоятельствах.

Основные компоненты, необходимые для проведения электролиза:

  • Электролит: вещество, содержащее свободные ионы, переносящие электрический ток.Если ионы неподвижны, как в твердой соли, то электролиз не может происходить.
  • Источник постоянного тока (DC): обеспечивает энергию, необходимую для создания или разряда ионов в электролите. Электрический ток переносится электронами во внешней цепи.
  • Два электрода: электрический проводник, который обеспечивает физический интерфейс между электрической цепью, обеспечивающей энергию, и электролитом.

Типичная электролизная ячейка: ячейка, используемая в элементарных химических экспериментах для получения газа в качестве продукта реакции и для измерения его объема.

Широко используются электроды из металла, графита и полупроводников. Выбор подходящего электрода зависит от химической активности электрода и электролита, а также от стоимости производства.

Другие системы, в которых используется электролитический процесс, используются для производства металлического натрия и калия, газообразного хлора, гидроксида натрия и хлората калия и натрия.

Обозначение электрохимической ячейки

Обозначение ячейки — это сокращение, которое выражает определенную реакцию в электрохимической ячейке.

Цели обучения

Создание соответствующей записи электрохимической ячейки для данной электрохимической реакции

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Анод ячейки и катод (полуячейки) разделены двумя полосами или косыми чертами, которые представляют собой солевой мостик.
  • Анод расположен слева, а катод — справа.
  • Отдельные твердые, жидкие или водные фазы в каждой полуячейке написаны разделенными одной полосой.
  • Концентрации растворенных веществ могут быть указаны в скобках после обозначения фазы (s, l, g или aq).
Ключевые термины
  • полуэлемент: любая из двух частей электрохимической ячейки, содержащая электрод и электролит.
  • Электрод

  • : Клемма, через которую электрический ток проходит между металлическими и неметаллическими частями электрической цепи. При электролизе электроды помещают в раствор отдельно.

Обозначение ячеек

Напомним, что стандартные потенциалы ячейки могут быть рассчитаны из потенциалов E 0 ячейки как для реакций окисления, так и для реакций восстановления.\ text {o} _ {\ text {окисление}} [/ latex]

Обозначения ячеек — это сокращенное описание гальванических или гальванических (спонтанных) ячеек. Условия реакции (давление, температура, концентрация и т. Д.), Анод, катод и компоненты электрода описаны в этом уникальном сокращении.

Напомним, что окисление происходит на аноде, а восстановление происходит на катоде. Когда анод и катод соединены проволокой, электроны текут от анода к катоду.

Типичный гальванический элемент: Типичное расположение полуэлементов, соединенных в гальванический элемент.- \ rightleftharpoons 2 \ text {Ag} (\ text {s}) [/ latex]

Правила обозначения ячеек

1. Сначала описывается анодный полуэлемент; следует катодная полуячейка. В пределах данной полуячейки сначала указываются реагенты, а в последнюю очередь — продукты. Описание реакции окисления идет первым, а реакция восстановления — последним; когда вы ее читаете, ваши глаза движутся в направлении потока электронов. Ионы зрителя не включены.

2. Одна вертикальная линия (|) проведена между двумя химическими соединениями, которые находятся в разных фазах, но находятся в физическом контакте друг с другом (например,г., твердый электрод | жидкость с электролитом). Двойная вертикальная линия (||) представляет собой солевой мостик или пористую мембрану, разделяющую отдельные полуячейки.

3. Фаза каждого химического вещества (s, l, g, aq) указана в скобках. Если электролиты в ячейках не соответствуют стандартным условиям, концентрациям и / или давлению, они заключаются в скобки с обозначением фазы. Если концентрация или давление не указаны, предполагается, что электролиты в ячейках находятся в стандартных условиях (1.00 М или 1,00 атм и 298 К).

Используя эти правила, мы составили обозначение ячейки:

Cd (s) | Cd 2+ (водн., 0,15 M) || Ag + (водн., 0,20 M) | Аг (ов)

электрохимических ячеек | Определение, описание и типы

Электрохимические элементы — это устройства, которые могут вырабатывать электрическую энергию из химической энергии и химическую энергию из электрической энергии. Электрохимические ячейки не выделяют тепла.

Электрохимические ячейки двух типов:

  1. Гальванические элементы: Гальванические элементы, вырабатывающие электрическую энергию с использованием химической энергии, называются гальваническими элементами.Они также известны как гальванические элементы.
  2. Электролитические ячейки: Тип электрохимических ячеек, которые вызывают химическую реакцию, — это электролитические ячейки.

Электрохимические ячейки имеют катод и анод. Катод — это электрод, на котором электроны принимаются или потребляются. Анод — это электрод, на котором высвобождаются или высвобождаются электроны. Эти электроды изготовлены из различных проводящих металлов, которые являются проводящими или полупроводниковыми. Помимо металлов, также используются графит и некоторые проводящие полимеры.

Склонность электрода терять или принимать электрон описывается его электродным потенциалом. Разница между электродными потенциалами обоих электродов помогает рассчитать потенциал ячейки. Потенциал ячейки дает меру напряжения ячейки. Стандартный водородный электрод используется в качестве электрода сравнения для измерения потенциала электрода. Водородный электрод является первичным электродом сравнения. Другой электрод, известный как вторичный электрод сравнения, — каломельный электрод.

Половина ячейки

Две половины ячеек, в которых находятся растворы электролитов, являются полуэлементами. Каждая половина ячейки содержит электрод. Электроды могут быть одинаковыми или разными.

Гальванические или гальванические элементы

Они названы в честь Луиджи Гальвани или Алессандро Вольта. Он создал первую электрохимическую ячейку, которая генерировала постоянный ток.

Когда электроны переходят от одного вида к другому в результате спонтанной окислительно-восстановительной реакции, высвобождается энергия.Эта энергия может быть использована для выполнения задач, когда реакция разделена на 2 полуреакции: окисление и восстановление. Эти 2 реакции проводятся в 2 отдельных контейнерах, и провод используется в качестве моста между двумя контейнерами для передачи электронов из одного контейнера в другой. Таким образом образуется гальванический или гальванический элемент.

Гальванический элемент обычно содержит 2 типа металлов в каждом из растворов электролита, которые соединяются с помощью солевого мостика. Он также может иметь полуячейки с пористой мембраной между ними.

Соляной мост

Это устройство, которое соединяет две половины электрохимических ячеек и состоит из прочного электролита. Он поддерживает электрическую нейтраль в цепи. Он также замыкает электрическую цепь.

Раствор в солевом мостике должен быть инертным и не вступать в реакцию с другими растворами. Это предотвращает реакцию между раствором и солевым мостиком и позволяет ионам перемещаться между двумя полуячейками.

Два типа солевого мостика: мостик из стеклянной трубки и мостик из фильтровальной бумаги.

Мост из стеклянной трубки — это трубка U-образной формы. Он наполнен электролитами, такими как хлорид натрия и нитрат калия.

Мостик из фильтровальной бумаги образован пористым материалом, например фильтровальной бумагой, пропитанной электролитами.

Раствор в солевом мостике должен быть инертным и не вступать в реакцию с другими растворами. Это предотвращает реакцию между раствором и солевым мостиком и позволяет ионам перемещаться между двумя полуячейками.

Давайте посмотрим на пример.

Мы можем изготовить гальванические / гальванические элементы из твердой меди (Cu (s)) в растворе нитрата серебра (AgNO3 (s)).

Во время этой реакции AgNO 3 распадается на ионы Ag + и NO 3-. Затем, когда медный электрод вводится в этот раствор, содержащий ионы серебра Ag + (водн.), Он мгновенно окисляет Cu (s) до Cu 2+ (aq) и восстанавливается до Ag (s). Эта реакция будет генерировать энергию, и реакция должна быть разделена на 2 отдельных контейнера, как обсуждалось выше.В противном случае высвободившаяся энергия будет потеряна и не может быть использована. Затем, после подключения провода (между двумя контейнерами), чтобы позволить электронам между ними, гальванический / гальванический элемент готов.

Эти реакции происходят на металлических полосках, известных как электроды. Электрод, на котором происходит восстановление, то есть металлический электрод, который получает электрон (ы), называется катодом, а электрод, на котором происходит окисление, то есть металлический электрод, который теряет электрон (ы), называется анодом.

Рассматривая реакцию в приведенном выше примере, Cu является анодом, а Ag — катодом.

Примечание. Электроны всегда текут от анода к катоду.

Обозначение ячейки

Это символическое представление двух половин гальванических элементов с использованием сокращений и обозначений элементов. Правила обозначения ячеек следующие:

  1. Две половины представлены с помощью символов элементов и химических формул соединений.
  2. Анодная половина записывается первой, а катодная половина записывается позже. Сначала в каждой половине упоминаются реагенты, а затем упоминаются продукты.
  3. Реакции обеих половин разделены двумя вертикальными параллельными линиями между ними. Эта двойная вертикальная линия обозначает солевой мостик гальванического элемента.
  4. Фазирование каждого элемента и соединения указано в скобках как s, g и aq для твердого, газообразного и водного соответственно.

Обозначение элемента вышеупомянутого гальванического элемента:

Cu (т) │1MCu (NO3) 2 (водн.) ║1MAgNO3 (водн.) │Ag (т)

Ячейка Даниила

Это тип электрохимических ячеек, в которых раствор сульфата меди заполнен в контейнере, изготовленном из меди.Там также есть неглазурованные глиняные сосуды, содержащие серную кислоту и электроды из цинка. Целью ячейки Даниэля было устранение проблемы пузырьков водорода.

Эта ячейка была изобретена британским химиком и метеорологом Джоном Фредериком Дэниелом в 1836 году. Это пример гальванической ячейки.

В этом элементе окисление цинка происходит на аноде и имеет место следующая полуреакция:

Zn (т.) → Zn 2+ (водн.) + 2e

Пока медь восстанавливается на катоде и происходит следующая реакция:

Cu 2+ (водн.) + 2e → Cu

Итак, всю реакцию можно записать как:

Zn (тв.) + Cu 2+ (водн.) → Zn 2+ (водн.) + Cu (т.)

Эта реакция приводит к образованию меди в твердом состоянии на катодном электроде, а цинковый электрод подвергается коррозии в растворе с образованием катиона цинка.

Использование гальванических элементов

  1. Гальванические элементы используются для получения электроэнергии. Они используются для зарядки аккумуляторных батарей ноутбуков и сотовых телефонов.
  2. Солнечные элементы состоят из гальванических элементов и являются перезаряжаемыми.
  3. Перезаряжаемые электромобили, такие как велосипеды и автомобили, имеют гальванические батареи.

Преимущества гальванических элементов

  1. Их легко сделать и они легко доступны.
  2. Они служат в течение длительного периода времени, так как большинство из них можно заряжать.

Недостатки гальванических элементов

  1. Некоторые гальванические батареи очень тяжелые.
  2. Они дороже электролизеров.
  3. Некоторые из них очень легко ржавеют или портятся.

Сухая камера

Ячейки EverReady — это сухие элементы. Это тип гальванической ячейки. Они известны как сухие элементы, потому что используемый электролит не является жидкостью.Это паста. В сухих элементах используется паста из диоксида марганца и хлорида аммония, чтобы генерировать кислотные ионы и комплексировать ионы цинка, полученные в результате химической реакции вокруг положительного электрода, образованного углеродными стержнями. Эти клетки также известны как клетки Лекланше. Сухие элементы используются в пультах дистанционного управления или фонариках.

Ячейки электролитические

Это тип электрохимических ячеек, которые запускают несамопроизвольную реакцию, используя электрическую энергию.Они могут разлагать химические соединения, такие как вода, на водород и кислород. Это разложение происходит в процессе, называемом электролизом. Итак, электролитическим ячейкам требуется источник питания постоянного тока, два электрода и электролит для проведения электролиза.

Три компонента электролитических ячеек — это электролит и два электрода.

Электролиты

Электролиты — это вещества, которые при растворении в полярных растворителях, таких как вода, образуют электропроводящий раствор.Это связано с тем, что, когда электролит растворяется в полярных растворителях, он распадается на катионы и анионы и равномерно распределяется по всему раствору. Эти катионы и анионы под действием электрического потенциала в растворе перемещаются к электроду с изобилием электронов и дефицитом электронов соответственно. Это движение катионов и анионов в направлении, противоположном друг другу, генерирует ток и формирует электролитические ячейки.

Хотя соли, кислоты и основания образуют электролит, некоторые газы при определенных условиях могут также вести себя как электролит, например хлористый водород, при высокой температуре и низком давлении.

Итак, вещество или элемент, которые диссоциируют на ионы (когда помещены в раствор), обладают способностью проводить электричество. Соли чаще всего используются для производства электролитов. Расплавленные соли, такие как расплавленный хлорид натрия, также образуют электролиты и проводят электричество. Фактически, ионные жидкости представляют собой расплавленные соли с температурой плавления ниже 100 ° C и являются неводными электролитами с высокой проводимостью. Они находят множество применений в топливных элементах и ​​батареях. Гидроксиды щелочных металлов также являются сильными электролитами, но не растворяются в воде после предела.В связи с чем их применение ограничено только определенными ситуациями.

Использование электролизеров:

1. Гальваника: это процесс покрытия электропроводящего объекта тонким слоем металла с помощью электрического тока. Гальваника с использованием определенного элемента добавляет металлу множество свойств, таких как защита от коррозии, стойкость к истиранию и износостойкость. Это также используется в украшениях и других целях по нескольким эстетическим причинам.

2. Батареи: Батареи используются в различных приборах и машинах. Они могут быть образованы электрохимическими ячейками.

3. Электрообработка или электрорафинирование: помогает производить различные чистые металлы, такие как натрий, кальций, алюминий и магний. И электрохимическое извлечение, и электрорафинирование широко используются в гальванике. Оба процесса используются для очистки металлов путем удаления примесей. Это экономичный и простой процесс очистки цветных металлов.

При электролизе металл удерживают в жидком выщелачивающем растворе, а затем пропускают ток от инертного анода к выщелачивающему раствору. Это извлекает металл, а затем металл осаждается на катоде. В процессе электрорафинирования неочищенные примесные металлы присутствуют на анодах, и когда ток проходит через кислотный электролит, аноды подвергаются коррозии, а из-за гальваники чистый очищенный металл осаждается на катоде.

4.Производство кислорода: кислород, используемый в космических кораблях и подводных лодках, готовится с помощью электролитических ячеек.

5. Водородное топливо также производится с использованием электролитических ячеек.

Посмотрим электролитическое извлечение меди:

В процессе электрохимического извлечения меди стержень из нечистой меди будет вести себя как анод, а кусок чистой меди (с небольшими примесями) будет действовать как катод. Раствор водного CuSo4 и h3SO4 образует электролит.

Схема электровыделения меди Источник изображения: NCERT

Теперь, когда в ячейке пропускают ток, происходит электролиз. В результате электролиза загрязненный медный анод окисляется и образует ионы Cu2 +, а на катодном электроде положительные ионы меди подвергаются восстановлению, в результате чего образуется чистая металлическая медь. Примеси других металлов не растворяются и вместо этого образуют твердый осадок на дне контейнера.

Электрохимические элементы также можно разделить на перезаряжаемые, неперезаряжаемые и топливные.

Как мы видели, в топливных элементах топливо является источником химической энергии, необходимой для выработки электричества, и оно должно подаваться извне, в перезаряжаемых и неперезаряжаемых батареях топливо уже хранится внутри, то есть внутри батареи.

Неперезаряжаемые батареи могут вырабатывать электричество только до тех пор, пока топливо внутри них не станет доступным для химической реакции.Как только эти батареи разрядятся, их нельзя будет повторно использовать, и их придется утилизировать. Они также известны как первичные клетки. Эти типы ячеек считаются вредными для окружающей среды, поскольку для их производства требуется много энергии, и их нельзя использовать повторно.

В автомобилях используются аккумуляторные батареи, их можно перезаряжать и использовать повторно. Эти типы батарей можно использовать несколько раз, подзаряжая их всякий раз, когда они выходят из строя, так как у них есть обратимые реакции элементов, которые позволяют им снова заряжаться.Они также известны как вторичные клетки. Эти батареи могут работать как гальванический элемент, так и электролитический элемент.

Примерами аккумуляторных или вторичных батарей являются свинцово-кислотные, никель-кадмиевые (NiCd) батареи и серебристо-цинковые батареи.

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея

Эти батареи образуются путем соединения множества электрохимических ячеек. Они используются в качестве источника энергии в транспортных средствах. Они известны как вторичные элементы, поскольку они могут использоваться в течение определенного периода времени без источника питания, а также могут заряжаться от источника питания.Таким образом, он действует как электролитический и гальванический элемент.

Топливные элементы

Топливные элементы — это тип электрохимических элементов, которые преобразуют химическую энергию топлива в электричество. Это происходит, когда происходит электрохимическая реакция между водородным топливом и кислородом или любым другим окислителем. В то время как в батареях химическая энергия вырабатывается из уже залитых в нее химикатов, топливным элементам требуется постоянный поток кислорода и подача топлива. Итак, электричество от топливных элементов зависит от потока кислорода и топлива.

Первый топливный элемент использовался НАСА в коммерческих целях для выработки энергии для космических капсул и спутников.

Использование топливных элементов:

  1. Они используются в качестве основного источника энергии в промышленных и жилых зданиях. Топливные элементы очень полезны в отдаленных районах.
  2. Они также используются в транспортных средствах, лодках и подводных лодках, работающих на топливных элементах.
  3. При низкокачественном газе, поступающем со свалок или очистных сооружений, топливные элементы могут использоваться для уменьшения выбросов метана в атмосферу.

Система топливных элементов, работающая на водороде, обычно очень легкая по весу и небольшая по размеру. Они также не участвуют в движении в любой ситуации и не вызывают горения ни в одной из его частей, поэтому их надежность достигает 99,9999%.

Резюме:

  1. Электрохимические элементы могут вырабатывать электрическую энергию, используя химическую энергию, генерируемую в результате химических реакций, и химическую энергию, используя электрическую энергию.
  2. Типы электрохимических элементов: гальванические или гальванические элементы, электролитические элементы, топливные элементы, заряжаемые и неперезаряжаемые элементы.
  3. Гальванические элементы используют энергию, вырабатываемую химическим веществом, содержащимся в элементах, для выработки электрической энергии. Эти элементы можно заряжать.
  4. Электролитические ячейки используются для разложения элементов, то есть для разделения их на разные элементы. Эти элементы не подлежат перезарядке.
  5. Гальваника и электролитическое выделение — два очень полезных применения электролитических ячеек, которые широко используются в промышленности.
  6. Топливные элементы используют химическую энергию топлива для производства электроэнергии. Топливные элементы широко используются в труднодоступных местах и ​​труднодоступных местах. Топливные элементы работают только до тех пор, пока не получат запас топлива и кислорода.
  7. Перезаряжаемые элементы можно использовать десятки раз, заряжая их всякий раз, когда они разряжаются.
  8. Неперезаряжаемые элементы нельзя использовать повторно, как аккумуляторные, и их необходимо утилизировать, как только они перестают работать.
  9. Свинцовые аккумуляторные батареи и сухие элементы — это современные электрохимические элементы, используемые в повседневной жизни.

Ресурсы:

  1. Гиперфизика: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Chemical/electrochem.html
  2. Химия Openstax 2e
  3. Википедия
  4. Наука прямо https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry / electrochemical-cell

(PDF) все об электрохимической ячейке и ее различных типах

Страница | 21

Электрохимические элементы, гальванические элементы и топливные элементы.

30) Электролитическая ячейка.(2020). Источник по состоянию на 7 июня 2020 г., номер

https://en.wikipedia.org/wiki/Electrolytic_cell#Uses.

31) Разница между гальванической и электролитической ячейками | Класс XII. (2020). Получено 7 июня 2020 г.,

с веб-сайта http://sharyaacademy.com/difference-between-galvanic-and-electrolytic-cell-class-xii/

32) Ангеловска Е. (2020). Разница между гальваническими элементами и электролитическими элементами | Разница

Между. Получено 7 июня 2020 г. с сайта http: // www.differencebetween.net/science/difference-

между гальваническими элементами и электролитическими элементами /

33) A.J. Бард, Л. Р. Фолкнер, Дж. Wiley, (2001). Электрохимические методы: фундаментальные и

заявка, 2-е изд.

34) J.O’M. Бокрис и А. Редди. (2000). Современная электрохимия, plenum rosetta Ed. Vol.

(2).

35) Ли. Антропов, Теоретическая электрохимия, англ. Ред. Издательство «Мир», Москва.

36) Цирлина Г.(2013) Потенциалы жидких переходов. В: Inzelt G., Lewenstam A., Schulz F. (eds)

Справочник по электродам сравнения. Шпрингер, Берлин, Гейдельберг. ISBN: 978-3-642-36188-3.

https://doi.org/10.1007/978-3-642-36188-3_3. С. 33-48.

37) ИЗУЦУ, К. (2011). Потенциалы жидкостного перехода между растворами электролитов в различных растворителях

. Аналитические науки, 27 (7), 685. DOI: 10.2116 / analsci.27.685.

38) К. Идзуцу, Т. Накамура, Т.Ямасита Дж. Электроанал., 1988. Chem., 256, 43.

39) Идзуцу К., Накамура Т. (1989) «Ионоселективные электроды», изд. E. Pungor, Vol. (5),

Pergamon Press, 425.

40) K. Izutsu, T. Nakamura, M. Muramatsu и Y. Aoki, J. (1991). Электроанал. Chem., 297, 49

41) K. Izutsu, T. Arai, T. Hayashijima, J. (1997) Electroanal. Chem., 426, 91.

42) К. Идзуцу, Бюл. (2008) Хим. Soc. Jpn., 81, 703.

43) К. Идзуцу, Bull.(2010) Хим. Soc. Jpn., 83, 777.

44) K. Izutsu, T. Nakamura, and N. Gozawa, J. Electroanal. Chem., 178, 165 и 171.

45) K. Izutsu, N. Gozawa, J. Electroanal. (1984) .Chem., 171, 373.

46) (а) К. Идзуцу и Н. Кобаяши, Дж. (2005). Электроанал. Chem., 574, 197; (b) K. Izutsu, Rev.

(2005) Polarogr. (на японском языке), 51, 73.

47) K. Izutsu, Y. Aoki, J. (1992) Electroanal. Chem., 334, 213.

48) К. Идзуцу, Т. Накамура и М.Мурамацу Дж. Электроанал., 1990. Chem., 283, 435.

49) Потенциал жидкого перехода. (2020). Источник по состоянию на 7 июня 2020 г., номер

https://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_junction_potential.

Как работают гальванические или гальванические элементы

Гальванические или гальванические элементы

Схема электрохимической ячейки с солевым мостиком.
Cmx, Лицензия на бесплатную документацию

В электрохимических ячейках протекают окислительно-восстановительные или окислительно-восстановительные реакции. Есть два типа электрохимических ячеек.Самопроизвольные реакции происходят в гальванических (гальванических) ячейках; в электролитических ячейках происходят спонтанные реакции. Оба типа ячеек содержат электроды, на которых происходят реакции окисления и восстановления. Окисление происходит на электроде, называемом анодом, а восстановление происходит на электроде, называемом катодом.

Электроды и заряд

Анод электролитической ячейки положительный (катод отрицательный), поскольку анод притягивает анионы из раствора. Однако анод гальванического элемента заряжен отрицательно, поскольку спонтанное окисление на аноде является источником электронов или отрицательного заряда элемента.Катод гальванического элемента — это его положительный вывод. Как в гальванических, так и в электролитических ячейках окисление происходит на аноде, и электроны текут от анода к катоду.

Гальванические или гальванические элементы

Окислительно-восстановительная реакция в гальваническом элементе — это спонтанная реакция. По этой причине в качестве батарей обычно используются гальванические элементы. Реакции гальванических элементов поставляют энергию, которая используется для выполнения работы. Энергия используется, помещая реакции окисления и восстановления в отдельные контейнеры, соединенные устройством, которое позволяет электронам течь.Обычный гальванический элемент — это элемент Даниэля.

Ячейки электролитические

Электролитическая ячейка.
Тодд Хелменстайн

Окислительно-восстановительная реакция в электролитической ячейке протекает неспонтанно. Для инициирования реакции электролиза требуется электрическая энергия. Ниже показан пример электролитической ячейки, в которой расплавленный NaCl подвергается электролизу с образованием жидкого натрия и газообразного хлора. Ионы натрия мигрируют к катоду, где они восстанавливаются до металлического натрия. Точно так же ионы хлора мигрируют к аноду и окисляются с образованием газообразного хлора.Этот тип ячейки используется для производства натрия и хлора. Газообразный хлор может собираться вокруг электролизера. Металлический натрий менее плотен, чем расплав соли, и его удаляют, когда он всплывает в верхнюю часть реакционного контейнера.

Ячейки электрохимические

Электрохимическая ячейка, вызывающая внешний электрический ток, может быть создана с использованием любых двух разных металлов, поскольку металлы различаются по своей склонности терять электроны. Цинк легче теряет электроны, чем медь, поэтому размещение металлического цинка и меди в растворах их солей может вызвать прохождение электронов через внешний провод, который ведет от цинка к меди.

Поскольку атом цинка обеспечивает электроны, он становится положительным ионом и переходит в водный раствор, уменьшая массу цинкового электрода. Что касается меди, то два полученных электрона позволяют преобразовать ион меди из раствора в незаряженный атом меди, который осаждается на медном электроде, увеличивая его массу. Две реакции обычно записываются как

.

Zn (ов) -> Zn 2+ (водн.) + 2e

Cu 2+ (водн.) + 2e -> Cu (s)

Буквы в круглых скобках просто напоминают о том, что цинк переходит из твердого вещества в водный раствор (водный раствор) и наоборот для меди.На языке электрохимии типично называть эти два процесса «полуреакциями», которые происходят на двух электродах.

Zn (s) -> Zn 2+ (водн.) + 2e

«Полураакция» цинка классифицируется как окисление, поскольку он теряет электроны. Терминал, на котором происходит окисление, называется «анодом». Для аккумулятора это отрицательная клемма.
Медная «полуреакция» классифицируется как восстановление, поскольку она приобретает электроны.Терминал, на котором происходит восстановление, называется «катодом». Для аккумулятора это положительный полюс.

Cu 2+ (вод.) + 2e -> Cu (s)

Чтобы гальванический элемент продолжал вырабатывать внешний электрический ток, должно быть движение сульфат-ионов в растворе справа налево, чтобы уравновесить поток электронов во внешней цепи. Сами ионы металла не должны перемещаться между электродами, поэтому какая-то пористая мембрана или другой механизм должны обеспечивать избирательное движение отрицательных ионов в электролите справа налево.

Энергия требуется, чтобы заставить электроны двигаться от цинка к медному электроду, и количество энергии на единицу заряда, доступное от гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента. Энергия на единицу заряда выражается в вольтах (1 вольт = 1 джоуль / кулон).

Очевидно, что для получения энергии от элемента вы должны получить больше энергии, высвобождаемой при окислении цинка, чем требуется для восстановления меди. Ячейка может выделять конечное количество энергии в результате этого процесса, причем процесс ограничивается количеством материала, доступного либо в электролите, либо в металлических электродах.Например, если на медной стороне был один моль сульфат-ионов SO 4 2-, то процесс ограничивается передачей двух молей электронов через внешнюю цепь. Количество электрического заряда, содержащегося в моль электронов, называется постоянной Фарадея и равно числу Авогадро, умноженному на заряд электрона:

Постоянная Фарадея = F = N A e = 6,022 x 10 23 x 1,602 x 10 -19 = 96,485 кулонов / моль

Энергетический выход гальванического элемента определяется как напряжение элемента, умноженное на число молей перенесенных электронов, умноженное на постоянную Фарадея.

Выходная электрическая энергия = ячейка nFE

ЭДС ячейки E ячейки может быть спрогнозирована из стандартных электродных потенциалов для двух металлов. Для ячейки цинк / медь при стандартных условиях расчетный потенциал ячейки составляет 1,1 В.

.