Гальванический элемент
Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби
Гальвани́ческий элеме́нт - , основанный на взаимодействии двух металлов и (или) их оксидов в электролите , приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани .
Явление возникновения электрического тока при контакте разных металлов было открыто итальянским физиологом , профессором медицины Болонского университета Луиджи Гальвани в 1786 году. Гальвани описал сокращения мышц задних лапок свежепрепарированной лягушки, закрепленных на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля . Наблюдения были истолкованы первооткрывателем как проявление «животного электричества».
Электрохимические генераторы (топливные элементы) - это элементы, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую. Окислитель и восстановитель хранятся вне элемента, в процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам. В процессе работы топливного элемента электродые не расходуются. Восстановителем является водород (H 2), метанол (CH 3 OH), метан (CH 4) в жидком или газообразном состоянии. Окислителем обычно является кислород воздуха или чистый. В кислородно-водородном топливном элементе со щелочным электролитом происходит превращение химической энергии в электрическую. Энергоустановки применяются на космических кораблях, они обеспечивают энергией космический корабль и космонавтов.
Применение
- Батарейки используются в системе сигнализации, фонарях, часах, калькуляторах, аудиосистемах, игрушках, радио, автооборудовании, пультах дистанционного управления.
- Аккумуляторы используются для запуска двигателей машин, возможно так же и применение в качестве временных источников электроэнергии в местах, удаленных от населенных пунктов.
- Топливные элементы применяются в производстве электрической энергии (на электрических станциях), аварийных источниках энергии, автономном электроснабжении, транспорте, бортовом питании, мобильных устройствах.
См. также
Литература
- Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия
- Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания.
Ссылки
| Гальванический элемент | Гальванический элемент Даниеля | Щелочной элемент | | Сухой элемент | Концентрационный элемент | Воздушно-цинковый элемент | Нормальный элемент Вестона |
|---|---|
| Электрические аккумуляторы | Свинцово-кислотный | Серебряно-цинковый | Никель-кадмиевый | Никель-металл-гидридный | Никель-цинковый аккумулятор | Литий-ионный | Литий-полимерный | Литий-железо-сульфидный | Литий-железо-фосфатный | Литий-титанатный | Ванадиевый | Железо-никелевый |
| Топливные элементы | Прямой метанольный | Твердооксидный | Щелочной |
| Модели | Батарея | Электрический аккумулятор | Топливный элемент |
| Устройство | Анод | Катод | Электролит |
«Арзамасский Государственный Педагогический Институт им А. П. Гайдара»
Курсовая работа
по химии
Тема: Гальванические элементы
Выполнил: студент 5 курса
ЕГФ 52 гр. Б2 подгр. Ширшин Н.В.
Принял: Киндеров А.П.
План
Введение
I. История создания химических источников тока
II. Принцип действия
III. Классификация, устройство и принцип действия химических источников тока
1. Гальванический элемент
2. Электрические аккумуляторы
А) Щелочные аккумуляторы
3. Топливный элемент
А) Принцип действия
Б) Принцип разделения потоков топлива и горючего
В) Пример водородно-кислородного топливного элемента
Г) История исследований в России
Д) Применение топливных элементов
Е) Проблемы топливных элементов
IV. Эксплуатация элементов и батарей
V. Регенерация гальванических элементов и батарей
VI. Особенности некоторых видов гальванических элементов и их краткие характеристики
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Химические источники тока в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источниках тока. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили. В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель - железные и никель - кадмиевые. Они применяются в портативных электронных вычислительных машинах (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр.
В силу ряда обстоятельств химические генераторы электрической энергии являются наиболее перспективными. Их преимущества проявляются через такие параметры, как высокий коэффициент выхода энергии; бесшумность и безвредность; возможность использования в любых условиях, в том числе в космосе и под водой, в стационарных и переносных устройствах, на транспорте и т.д.
В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно – важных систем.
Цели и задачи . В данной работе мне необходимо разобрать принцип действия гальванических элементов, познакомиться с историей их создания, особенностями классификации и устройством различных видов гальванических элементов, а также применением в тех или иных видов химических источников тока в повседневной жизни и различных сферах производства.
I . История создания химических источников тока
Химические источники тока (аббр. ХИТ) - устройства, в которых энергия протекающих в них химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.
История создания
Вольтов столб
Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта - сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая в последствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение в последствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля». В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах. В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств. В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».
II . Принцип действия
Устройство «багдадских батареек» (200 г. до н. э.).
Основу химических источников тока составляют два электрода (катод, содержащий окислитель и анод, содержащий восстановитель), контактирующих с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов - электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно разделённых процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.
В современных химических источниках тока используются:
в качестве восстановителя (на аноде) - свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
в качестве окислителя (на катоде) - оксид свинца(IV) PbO2, гидроксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;
в качестве электролита - растворы щелочей, кислот или солей.
III . Классификация, устройство и принцип действия
По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:
1. Гальванический элемент
Гальванический элемент - химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. Это первичные ХИТ, которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить.
Гальванические элементы являются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, отдаваемой во внешнюю цепь, а также сохраняемостью и экологической безопасностью.
ЭДС определяется природой протекающих в гальваническом элементе процессов. Напряжение гальванического элемента U всегда меньше его ЭДС в силу поляризации электродов и потерь сопротивления:
U = Eэ – I(r1–r2) – ΔE,
где Еэ – ЭДС элемента; I – сила тока в режиме работы элемента; r1 и r2 – сопротивление проводников I и II рода внутри гальванического элемента; ΔЕ – поляризация гальванического элемента, складывающаяся из поляризаций его электродов (анода и катода). Поляризация возрастает с увеличением плотности тока (i), определяемой по формуле i = I/S, где S – площадь поперечного сечения электрода, и ростом сопротивления системы.
В процессе работы гальванического элемента его ЭДС и, соответственно, напряжение постепенно снижаются в связи с уменьшением концентрации реагентов и увеличением концентрации продуктов окислительно-восстановительных процессов на электродах (вспомним уравнение Нернста). Однако чем медленнее снижается напряжение при разряде гальванического элемента, тем больше возможностей его применения на практике. Емкостью элемента называют общее количество электричества Q, которое гальванический элемент способен отдать в процессе работы (при разрядке). Емкость определяется массой запасенных в гальваническом элементе реагентов и степенью их превращения. При увеличении тока разряда и снижении температуры работы элемента, особенно ниже 00С, степень превращения реагентов и емкость элемента снижаются.
Энергия гальванического элемента равна произведению его емкости на напряжение: ΔН = Q.U. Наибольшей энергией обладают элементы с большим значением ЭДС, малой массой и высокой степенью превращения реагентов.
Сохраняемостью называют продолжительность срока хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных параметрах. С ростом температуры хранения и эксплуатации элемента, его сохраняемость уменьшается.
Состав гальванического элемента : восстановителями (анодами) в портативных гальванических элементах, как правило, служат цинк Zn, литий Li, магний Mg; окислителями (катодами) – оксиды марганца MnO2, меди CuO, серебра Ag2O, серы SO2, а также соли CuCl2, PbCl2, FeS и кислород О2.
Самым массовым в мире остается производство марганец–цинковых элементов Mn–Zn, широко применяемых для питания радиоаппаратуры, аппаратов связи, магнитофонов, карманных фонариков и т.п. Конструкция такого гальванического элемента представлена на рисунке
Токообразующими реакциями в этом элементе являются :
На аноде (–): Zn – 2ē → Zn2+ (на практике происходит постепенное растворение цинковой оболочки корпуса элемента);
На катоде (+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.
В электролитическом пространстве также идут процессы:
У анода Zn2+ + 2NH3 →2+;
У катода Mn2O3 + H2O → или 2.
В молекулярном виде химическую сторону работы гальванического элемента можно представить суммарной реакцией:
Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.
Схема гальванического элемента:
(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (С) (+).
ЭДС такой системы составляет Е= 1,25 ÷ 1,50В.
БАТАРЕИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ - группы электрически соединенных между собой гальванических элементов, которые вырабатывают электроэнергию за счет хим. реакции, происходящей между активными материалами электродов. В батареи гальванической чаще всего используются гальванические элементы, у которых положительный электрод изготовлен из смеси двуокиси марганца и графита, а отрицательный - из цинка. В качестве электролита обычно используется раствор хлористого аммония (нашатыря) и других хлористых солей. Такие элементы называются марганцево-цинковыми.
Рис. 1. Сухой элемент стаканчикового типа: 1 - отрицательный электрод (цинк), 2 - картонный футляр, 3 -токоотводы, 4 - колпачок, 5 - положительный электрод, 6 - слой электролита (пасты), 7 - смола, 8 - картонная шайба, 9 - изоляционная прокладка, 10 - стеклянная трубка (газоотвод)
Иногда в состав положительного электрода, кроме двуокиси марганца и графита, добавляется активированный уголь, который поглощает кислород из окружающей атмосферы, чем позволяет использовать его в хим. реакции. Такие элементы называются марганцево - воздушно - цинковыми. Они отличаются большей емкостью и меньшей себестоимостью. Для специальных целей применяются угольно - цинковые и железо - угольные наливные элементы, обладающие большим постоянством напряжения. Ввиду неудобства эксплуатации наливных элементов с жидким электролитом последний при помощи муки, крахмала, картона или других наполнителей переводится в вязкое состояние, благодаря чему он теряет свою текучесть и не выливается из элемента при любом положении. Такие элементы получили название сухих.
Различают два основных типа сухих элементов: стаканчиковый и галетный. У стаканчикового элемента (рис. 1) отрицательный электрод (цинковый полюс) выполнен в виде цилиндрического цельнотянутого или имеющего продольный шов (паяный, сварной, вальцованный) прямоугольного стакана. Положительный электрод представляет собой цилиндр или призму, напрессованную на угольный стержень, служащий токоотводом. Положительный электрод помещается внутри отрицательного, а пространство между ними заполняется сгущенным электролитом. У галетного элемента (рис.2) электроды имеют вид пластинок, которые разделены пропитанной электролитом картонной диафрагмой. Все детали стянуты упругим винилхлоридным ободом (кольцом). Токоотводом служит непроницаемый для электролита слой электропроводной массы, нанесенный на внешнюю сторону цинкового электрода. Марганцево - воздушно - цинковые элементы выпускаются только стаканчикового типа.
Рис. 2. Сухой элемент галетного типа: 1 - отрицательный электрод (цинк) с электропроводным слоем, 2 - положительный электрод, 3 - картонные диафрагмы, пропитанные электролитом, 4 - бумага обертки положительного электрода, 5 - хлорвиниловое кольцо
Основными показателями элемента являются его электродвижущая сила (э. д. с.) и напряжение, величина которых измеряется вольтметром (см.), в первом случае - при отсутствии нагрузочного сопротивления, во втором - при подключении обусловленного стандартом нагрузочного сопротивления. Э. д. с. марганцево - цинковых элементов колеблется от 1,5 до 1,8 В, э. д. с. марганцево - воздушно - цинковых элементов равна 1,4 В. Величина напряжения элемента всегда меньше э. д. с., разница между ними возрастает с уменьшением нагрузочного сопротивления. Важнейшими параметрами батарей гальванических являются также количество отдаваемой ими электроэнергии и способность сохранять ее на протяжении длительного времени (сохранность). Количество отдаваемой энергии измеряется либо продолжительностью работы элемента в часах, либо его электрической емкостью в а - час. Поскольку напряжение элемента при разряде падает, то в техн. документации всегда оговаривается нижний предел напряжения (конечное напряжение), определяющий нижнюю границу его работоспособности. При заданном конечном напряжении электрическая емкость элемента, а значит и продолжительность его работы зависят также от темп-ры и величины нагрузочного сопротивления (см. табл. 1), а также периодичности разряда.
Емкость батарей гальванических увеличивается с увеличением нагрузочного сопротивления и повышением темп-ры. Наиболее низкая темп-ра, при которой возможна работа элементов: для марганцево-цинковых -20°, для марганцево - воздушно - цинковых -5°. Периодичность разряда характеризуется чередованием и длительностью периодов разряда и отдыха элемента. Как правило, марганцево - цинковые элементы при прерывистом разряде отдают большую емкость, чем при непрерывном, а марганцево - воздушно - цинковые элементы, наоборот, меньшую.
Сохранностью батарей гальванических (элемента) называется срок от момента изготовления до начала эксплуатации, в продолжении которого изделие сохраняет свою работоспособность. Величина остающейся емкости (или продолжительности работы) оговаривается стандартом и обычно составляет 60-75% первоначальной.
Срок сохранности, указываемый на этикетке, является минимальным и почти всегда батареи гальванические и элементы могут быть использованы еще в течение некоторого времени. Годность их в этом случае определяется по напряжению.
Соединение элементов в батареи гальванические может быть последовательное, параллельное и смешанное. При последовательном соединении положительный полюс одного элемента присоединяется к отрицательному полюсу последующего элемента и т. д. (рис.3).
Рис. 3. Схема последовательного соединения элементов
Рис. 4. Схема параллельного соединения элементов батареи
Рис. 5. Смешанное соединение элементов батареи
Такое соединение элементов применяется для создания более высокого напряжения батареи гальванической, которое в этом случае прямо пропорционально числу последовательно соединенных элементов. Емкость батареи гальванической при этом не изменяется и равна емкости отдельного элемента. Параллельное соединение осуществляется путем соединения между собой, с одной стороны, всех положительных полюсов элементов, с другой - отрицательных (рис. 4). При этом возрастает емкость батареи гальванической, а напряжение ее остается равным напряжению отдельного элемента. При смешанном соединении применяются оба указанных выше способа: собирается несколько одинаковых групп с последовательным соединением элементов, которые соединяются между собой параллельно (рис. 5). При этом возрастают соответственно и напряжение и емкость.
В зависимости от назначения батареи гальванической подразделяются на анодные, сеточные, накальные и фонарные.
Анодные батареи гальванические (рис. 6) предназначаются для питания анодных цепей радиоприемников.
Рис. 6. Батарея БС-Г-70
Их напряжение сравнительно высоко - от 60 до 120 В. Используются они для небольшого тока - от 3 до 12 ма. Обычно эти батареи гальванические имеют дополнительные токоотводы в виде гнезда в панели или мягких проводов, которые позволяют использовать сначала часть батареи гальванической и подключать остальную ее часть по мере падения напряжения. Этот режим носит название секционного разряда и позволяет в известных пределах увеличить продолжительность службы батареи гальванической.
Сеточные батареи гальванические предназначаются для создания напряжения смещения на сетках радиоламп.
Рис. 7. Батарея БСГ-60-С-8
В них применяется последовательное соединение. Напряжение от 4,5 до 12,0 В. Расход тока не превышает 3 ма. Монтируются в одном футляре с батареями гальваническими анодными (рис. 7) и составляются из одинаковых с ними элементов.
Накальные батареи гальванические (рис. 8) предназначены для питания накальных нитей радиоламп.
Рис. 8. Батарея БНС-МВД-500
Для стационарных батарейных радиоприемников ("Родина", "Искра" и т. п.) накальные батареи гальванические с целью создания большей емкости составляются из четырех параллельно соединенных марганцево - воздушно - цинковых элементов большого размера. Напряжение их равно напряжению одного элемента, а расход тока от 0,3 до 0,5 а. В накальных батареях гальванических переносных батарейных радиоприемников применяется параллельное и смешанное соединение небольших элементов. Для батарейного радиоприемника "Тула" пром-стью выпускается комплект питания, в специальном футляре, состоящий из анодной и накальной батареи гальванической (рис. 9).
Рис. 9. Комплект - питания для радиоприемника "Тула"
Фонарные батареи гальванические предназначаются для питания лампочек карманных фонарей. Они характеризуются большим расходом тока (от 150 до 280 а) при небольшом напряжении (3,0- 4,5 в) и малыми габаритами. Наибольшее распространение получили батареи гальванические типа КБС-Л-0,50 (рис. 10), состоящие из трех последовательно соединенных элементов. Для фонарей круглого сечения и измерительных приборов (омметров, авометров и т. п.) пром-стью выпускаются элементы цилиндрической формы типа ФБС, последовательное соединение между которыми при необходимости осуществляется непосредственно при вложении их в корпус фонаря (прибора).
Рис. 10. Батарея для карманного фонаря КБС-Л-0,50
Условные обозначения элементов обычно состоят из четырех частей. Начальная цифра указывает габариты (в мм): №2 - 40х40х100, №3-55x55x130, № 6 - 80x80x175; буквы - С - сухой, Л - летний, X - хладостойкий; следующие затем цифры указывают емкость элемента. Так, 3С-Л-30 означает: элемент № 3, сухой, летний, емкостью 30 а-час. Наименование батарей гальванических, начинающееся с буквенных обозначений, состоит из 4-5 частей, имеющих следующие значения: Б - батарея, А - анодная, Н - накальная, С - сухая, Г - галетная, Ф - фонарная, К - карманная. Число после букв у анодных батарей гальванических показывает напряжение, у накальных - емкость. Однако иногда в обозначении батарей гальванических анодных буква А опускается, а в конце обозначения добавляется второй численный показатель - емкость батареи гальванической. Наименования батарей гальванических, начинающиеся с цифр, имеют следующие значения: начальная цифра обозначает напряжение, конечная - емкость, буквы: МЦ - марганцевоцинковая система, В - указывает на использование кислорода воздуха, Н - накальная, А - анодная, Т - телефонная, С - для слуховых аппаратов, П - панель. Батареям гальваническим, предназначенным для питания радиоприемников, кроме того, даны товарные наименования. Маркируются батареи гальванические путем наклейки этикетки с указанием: наименования или товарного знака предприятия - изготовителя, условного обозначения батарей гальванических, номинального напряжения, начальной емкости, гарантийного срока хранения и емкости в конце срока хранения.
Годность батарей гальванических и элементов определяется внешним осмотром и замерением напряжения на токоотводах. При осмотре следует убедиться в целости токоотводов и отсутствии наружных дефектов: поломок, разрушения заливочной смолки (мастики), повреждений и промокания футляра. Напряжение проверяется вольтметром; оно не должно быть ниже величин, указанных в табл. 2. Батареи гальванические упаковываются в деревянные ящики весом брутто 65-80 кг, выложенные внутри влагонепроницаемой бумагой, и отделяются от их стенок слоем сухой стружки или другого упаковочного материала. Батареи гальванические необходимо хранить в сухом и прохладном месте. Повышенная влажность в помещении для хранения, как и повышенная темп-ра, резко снижают срок их сохранности. Низкая темп-ра не опасна для батарей гальванических: после отогревания они полностью восстанавливают свои свойства. Батареи гальванические изготовляются предприятиями Главаккумуляторпрома Министерства электротехнической промышленности СССР.
Лит.: Сочеванов В.Г., Гальванические элементы, М., 1951; Морозов ГГ. и Гантмав С.А., Химические источники тока для питания средств связи, М., 1949; Сводный каталог на химические источники тока, М., 1950.
Для того чтобы составить схему гальванического элемента, необходимо понять принцип его действий, особенности строения.
Потребители редко обращают внимание на аккумуляторы и батарейки, при этом именно эти источники тока являются самыми востребованными.
Химические источники тока
Что собой представляет гальванический элемент? Схема его основывается на электролите. В устройство входит небольшой контейнер, где располагается электролит, адсорбируемый материалом сепаратора. Кроме того, схема двух гальванических элементов предполагает наличие Как называется такой гальванический элемент? Схема, связывающая между собой два металла, предполагает наличие окислительно-восстановительной реакции.
Простейший гальванический элемент
Он подразумевает наличие двух пластин либо стержней, выполненных из разных металлов, которые погружены в раствор сильного электролита. В процессе работы данного гальванического элемента, на аноде осуществляется процесс окисления, связанный с отдачей электронов.
На катоде - восстановление, сопровождающееся принятием отрицательных частиц. Происходит передача электронов по внешней цепи к окислителю от восстановителя.
Пример гальванического элемента
Для того чтобы составить электронные схемы гальванических элементов, необходимо знать величину их стандартного электродного потенциала. Проанализируем вариант медно-цинкового гальванического элемента, функционирующего на основе энергии, выделяющейся при взаимодействии сульфата меди с цинком.
Этот гальванический элемент, схема которого будет приведена ниже, называют элементом Якоби-Даниэля. Он включает в себя которая погружена в раствор медного купороса (медный электрод), а также он состоит из цинковой пластины, находящейся в растворе его сульфата (цинковый электрод). Растворы соприкасаются между собой, но для того, чтобы не допускать их смешивания, в элементе используется перегородка, выполненная из пористого материала.
Принцип действия
Как функционирует гальванический элемент, схема которого имеет вид Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Во время его работы, когда замкнута электрическая цепь, происходит процесс окисления металлического цинка.
На его поверхности соприкосновения с раствором соли наблюдается превращение атомов в катионы Zn2+. Процесс сопровождается выделением «свободных» электронов, которые передвигаются по внешней цепи.
Реакцию, протекающую на цинковом электроде, можно представить в следующем виде:
Восстановление катионов металла осуществляется на медном электроде. Отрицательные частицы, которые попадают сюда с цинкового электрода, объединяются с катионами меди, осаждая их в виде металла. Данный процесс имеет следующий вид:
Если сложить две реакции, рассмотренные выше, получается суммарное уравнение, описывающее работы цинково-медного гальванического элемента.
В качестве анода выступает цинковый электрод, катодом служит медь. Современные гальванические элементы и аккумуляторы предполагают применение одного раствора электролита, что расширяет сферы их применения, делает их эксплуатацию более комфортной и удобной.
Разновидности гальванических элементов
Самыми распространенными считают угольно-цинковые элементы. В них применяется пассивный угольный коллектор тока, контактирующий с анодом, в качестве которого выступает оксид марганца (4). Электролитом является хлорид аммония, применяемый в пастообразном виде.
Он не растекается, поэтому сам гальванический элемент называют сухим. Его особенностью является возможность «восстанавливаться» на протяжении работы, что позитивно отражается на продолжительности их эксплуатационного периода. Такие гальванические элементы имеют невысокую стоимость, но невысокую мощность. При понижении температуры они снижают свою эффективность, а при ее повышении происходит постепенное высыхание электролита.
Щелочные элементы предполагают использование раствора щелочи, поэтому имеют довольно много областей применения.
В литиевых элементах в качестве анода выступает активный металл, что позитивно отражается на сроке эксплуатации. Литий имеет отрицательный поэтому при небольших габаритах подобные элементы имеют максимальное номинальное напряжение. Среди недостатков подобных систем можно выделить высокую цену. Вскрытие литиевых источников тока является взрывоопасным.
Заключение
Принцип работы любого гальванического элемента основывается на окислительно-восстановительных процессах, протекающих на катоде и аноде. В зависимости от используемого металла, выбранного раствора электролита, меняется срок службы элемента, а также величина номинального напряжения. В настоящее время востребованы литиевые, кадмиевые гальванические элементы, имеющие достаточно продолжительный срок своей службы.
В современных условиях наиболее распространенными химическими источниками тока являются гальванические элементы. Несмотря на их отдельные недостатки, они получили широкое распространение в электронике, проводится постоянная работа по их совершенствованию. Принцип работы гальванического элемента достаточно прост. В водный раствор серной кислоты погружаются медная и цинковая пластины, которые, затем, играют роль положительного и отрицательного полюса.
Принцип действия гальванического элемента
При соединении полюсов с помощью проводника происходит появление простейшей электрической цепи. Протекание тока внутри элемента будет происходить от отрицательного заряда к положительному, то есть от цинковой пластины к медной. Движение заряженных частиц по внешней цепи будет осуществляться в обратном направлении.
При воздействии электрического тока движение остатков серной кислоты, а также ионов водорода будет происходить в различных направлениях. При этом, водород передает заряд на медную пластину, а остаток кислоты - на цинковую пластину. Таким образом, на клеммах будет осуществляться поддержка напряжения. Одновременно, на медной пластине оседают пузырьки водорода, ослабляющего общее действие элемента и создающего дополнительное напряжение. Такое напряжение известно, как электродвижущая сила поляризации. Чтобы избежать этого явления, в состав вводится вещество, способное поглощать атомы водорода и выполнять функцию деполяризации.
Гальванические элементы: преимущества и недостатки
Для изготовления современных гальванических элементов используются самые различные материалы. Наиболее распространенными являются материалы на основе угольно-цинковых элементов, используемых для пальчиковых .
Их основным положительным качеством считается относительно низкая стоимость. Однако, такие элементы обладают невысокой мощностью и небольшим сроком хранения. Наиболее оптимальным вариантом служит использование щелочных элементов. Здесь в качестве электролита выступает не уголь, а раствор щелочи. При разрядке не происходит выделение газа, что позволяет обеспечить полную герметичность. Щелочные элементы отличаются более высоким сроком хранения.
Общий принцип работы гальванического элемента для всех их видов совершенно одинаковый. Например, элементы на основе оксида ртути конструктивно напоминают щелочные. Они отличаются повышенной устойчивостью к высокой температуре, высокой механической прочностью и стабильным значением напряжения. Недостатком является токсичность ртути, требующая осторожного обращения с отработанными элементами.
