Из чего состоит гальванический элемент

Гальванический элемент батарейка -это энергетическое устройство, которое преобразует накопленную химическую энергию непосредственно в электрическую с помощью электрохимического процесса, включающего реакции окисления.

  1. Анод (отрицательный электрод). Это восстановительный электрод, который отдает электроны во внешнюю электрическую цепь и окисляется в ходе электрохимической реакции. Таким образом, анодные электроды также называют “топливным электродом».
  2. Катод (положительный электрод). Катод-это окислительный электрод, который принимает электроны от внешней цепи и восстанавливается в ходе электрохимической реакции.
  3. Электролит (электродная среда). Электролит представляет собой среду или сепаратор между анодом и катодом, который служит ионным проводником для переноса ионов или зарядов между двумя электродами. Обычно это жидкость с кислотами или щелочами для придания ионной проводимости.

Необходимо отметить, что некоторые батареи используют твердые электролиты, поэтому мы обычно называли их “сухими ячейками” или “сухими батареями».
Первые компоненты типичного сухого элемента в качестве анода использовали цинк, а в качестве катода-графитовый (углеродный) стержень, окруженный влажным электролитом (химическая смесь).

Другие более современные распространенные сухие гальванические элементы батарейки включают цинк-хлоридные, ртутные, оксид серебра, цинк-воздушные батареи и т. д.

Классификация источников питания

Как правило, батареи можно разделить на первичные, вторичные и топливный элемент.
Первичные батареи не могут быть заряжены, в то время как вторичные являются перезаряжаемыми или аккумуляторами.

В отличие от первичных и вторичных батарей, топливные элементы, с другой стороны, относятся к классу которые работают с непрерывной внешней подачей топлива.
Поэтому количество энергии для первичной батареи ограничено имеющимися в ней реагентами; вторичная может работать в прерывистом режиме, т. е. она может быть перезаряжена при достижении низкого уровня заряда.

Топливный элемент, по существу, имеет наибольшее количество энергии, так как топливо, обычно водород, может непрерывно подаваться в “топливный” элемент.

Ваш браузер не поддерживается

Интернет-сервис Студворк построен на передовых, современных технологиях и не может гарантировать полную поддержку текущего браузера.

Chrome

Установить новый браузер

    Google Chrome

Yandex browser

Скачать
Яндекс Браузер

Opera

Скачать
Opera

Firefox

Гальванический элемент

Скачать
Firefox

Edge

Скачать
Microsoft Edge

Нажимая на эту кнопку, вы соглашаетесь с тем, что сайт в вашем браузере может отображаться некорректно. Связаться с техподдержкой

Работаем по будням с 8.00 до 18.00 по МСК

Как составить схему гальванического элемента — задачи по химии

Качественно и полностью рассчитать гальванический элемент с требуемыми параметрами – задача сложная. Но подобрать материал электродов, тип электролита и составить схему сможет любой знакомый с химией. Для примера решим несколько подобных задач.

Задача 1. Вычислить значение ЭДС гальванического элемента с электродами из магния и меди. Электролит – растворы сульфата меди и сульфата цинка. Составить схему элемента, написать химические процессы на электродах и общие процессы, генерирующие энергию.

Решение. По таблице стандартных электродных потенциалов находим потенциалы меди и магния:

Из чего состоит гальванический элемент и как он работает

Поскольку магний имеет более низкий потенциал, он является анодом. Составляем схему:

Из чего состоит гальванический элемент и как он работает

Описываем процессы на электродах и общие, генерирующие энергию:

Из чего состоит гальванический элемент и как он работает

Вычисляем стандартную ЭДС:

Из чего состоит гальванический элемент и как он работает

Задача 2. Дано уравнение токообразующей реакции: Ni + СuSO4 = NiSO4 + Cu. Напишите уравнение процессов на электродах, рассчитайте ЭДС.

Решение. При помощи таблицы электродных потенциалов найдем потенциалы никеля меди:

Из чего состоит гальванический элемент и как он работает

Потенциал никеля ниже, следовательно, он является анодом. Составляем уравнения:

Из чего состоит гальванический элемент и как он работает

Составляем схему гальванического элемента:

Из чего состоит гальванический элемент и как он работает

Вычисляем стандартную ЭДС реакции:

Из чего состоит гальванический элемент и как он работает

Как сделать ГЭ своими руками

Напоследок практикум. Попробуем самостоятельно собрать гальванический элемент, который можно использовать на практике. Остановимся на схеме Даниэля-Якоби. Его медно-цинковый элемент не только прост в повторении, но и не требует дефицитных компонентов. Тем не менее у этого источника питания неплохие характеристики:

  • Ток короткого замыкания – 0.5 А.
  • Электрическая емкость – 25-30 А*ч.
  • Габариты – стеклянная банка емкостью 0.33 л.

Конструктивно наша батарейка будет иметь следующий вид: стеклянная банка, на дно которой насыпан медный купорос. В банку опущены электроды в виде цилиндров. Анод – алюминий, катод – медь. Между электродами установлена ионопроницаемая диафрагма. Сама банка заполнена двумя электролитами – раствором поваренной соли и раствором медного купороса.

Из чего состоит гальванический элемент и как он работает

Алгоритм изготовления ГЭ следующий:

  1. Из тонкого медного листа изготавливается цилиндр по диаметру горлышка банки и высотой чуть ниже нее. На цилиндре необходимо предусмотреть ушки, которыми он будет подвешиваться к горлышку банки. Это катод – положительный вывод элемента.
  2. Из плотного картона сшивается цилиндр по высоте чуть меньше высоты и диаметра медного цилиндра. К картонному цилиндру пришивается дно, все швы (но не сам стакан) герметизируются парафином. На цилиндр наматывается несколько слоев газетной бумаги, вымоченной в растворе поваренной соли. Для лучшей механической прочности полученную конструкцию можно обшить любой тканью. На верх стакана приклеивается или пришивается картонное кольцо, чтобы он не проваливался в банку. В кольце делается 2 отверстия. Одно для заливки воды в область между банкой и стаканом, второе – для ручки мешалки (о ее назначении – ниже). Перед использованием диафрагму нужно испытать, налив в нее раствор поваренной соли и оставив на несколько часов. Стакан не должен подтекать, а его наружная поверхность должна быть лишь слегка влажной.
  3. Из тонкой цинковой жести изготавливается цилиндр высотой и диаметром чуть меньше стакана-диафрагмы. Это анод – отрицательный вывод гальванического элемента. На нем, как и на медном, необходимо предусмотреть ушки, за которые он будет подвешиваться на кольцо диафрагмы.

Вместо медного цилиндра можно использовать медный провод без изоляции и лака. Просто обматываете им стакан-диафрагму, предварительно вставив в нее оправку для жесткости, и качественный электрод готов.

Сборка

В банку насыпаем столовую ложку медного купороса, устанавливаем на место медный цилиндр. Опускаем в него мешалку. Устанавливаем внутрь медного цилиндра стакан-диафрагму, наполняем его раствором поваренной соли. В отверстие кольца диафрагмы осторожно наливаем воду. Опускаем в диафрагму цинковый цилиндр, и элемент готов. Осталось поработать мешалкой, чтобы часть купороса растворилась, подключить при помощи зажимов провода – положительный – к медному электроду, отрицательный – к цинковому.

Обслуживание элемента заключается в периодической смене электролита, промывке электродов и добавлении купороса по мере его расходования. Мешалка понадобится, если отдаваемый ток существенно упадет. Слегка взболтали медный купорос на дне, и все снова в порядке.

Электроды должны как можно ближе располагаться друг к другу – это уменьшит внутреннее сопротивление элемента, а значит, и отдаваемый им ток.

Для питания чего-нибудь существенного напряжения не хватит, но что мешает собрать батарею из нескольких таких элементов?

В этой конструкции катод выполнен обычным медным проводом со снятой изоляцией

А теперь пара вопросов.

Первый.
Вы наверняка заметили, что в характеристиках не указана ЭДС элемента. Предлагаем определить этот параметр самостоятельно. Заодно для практики составить его схему. Вы же знаете химические формулы поваренной соли (хлорид натрия) и медного купороса (сульфат меди)?

Второй.
Реально ли заменить цинк алюминием или свинцом и к каким последствиям это приведет?

Вот и все, что хотелось рассказать о гальванических элементах. Теперь вы знаете, какими они бывают, как работают, и даже можете собрать собственный источник энергии для неэлектрифицированной дачи. На приемник, светодиодный фонарь и зарядку мобильника этой энергии хватит на все лето.

Спасибо, помогло! 2

Сейчас читают:

Из чего состоит и как работает солнечная батарея

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

Как пользоваться ареометром для аккумулятора

Блок питания что это такое и какими они бывают

Аналоги батарейки типа а332 и её характеристики

Из чего состоит гальванический элемент

Сравнив все электролиты, были выявлены самые лучшие: медный купорос и железный купорос.

Практическое наблюдение

Рис. 8. Осадок на цинковой пластинке из раствора CuSO4

Рис. 7. Результат эксперимента

М ожно отметить, что ЭДС получилась ниже теоретической, а на цинковом электроде появляется налёт (рис. 7). Вероятная причина этого – применение химически не чистых материалов электродов и электролитов. Прототип обеспечил 2 месяца бесперебойной работы одного светодиода (рис. 13). Затем пластинка цинка покрылась слоем осадка и разрушилась от прикосновения (рис. 8-10).

Рис. 10. Разрушение цинковой пластинки из раствора FeSO4

Рис. 9. Разрушение цинковой пластинки из раствора CuSO 4

На медной пластинке остался сложно счищаемый осадок, и сама пластинка не разрушилась (рис. 11, 12).

Рис. 12. Медная пластинка после работы

Рис. 11. Медная пластинка до работы

Рис. 13. Работа гальванического элемента

3. Повышение эффективности

самодельного гальванического элемента

Изучение конструкции промышленного элемента в разделе 1.4 и изготовление самодельного позволяет определить способы повышения эффективности гальванического элемента в перспективе.

Так как элемент используется преимущественно в мобильной технике, то под эффективностью следует понимать уменьшение габаритов при одновременном повышении тока и энергоёмкости. Возможны следующие технические решения:

1. Применение сепаратора. Это позволит предотвратить короткие замыкания между электродами, вызываемые продуктами реакции. При этом сепаратор не должен быть препятствием для прохождения ионов. Одновременно он позволит приблизить пластины и тем самым уменьшить габариты.

2. Использовать «сухой» электролит. Пропитать раствором электролита пористый материал или сделать из электролита гель. Это позволит безопасно транспортировать элемент, предотвращая протечку электролита.

3. Увеличить эффективную площадь электродов. Можно сделать электроды пористыми или шероховатыми. Геометрически площадь останется такая же, а поверхность, реагирующая с раствором, станет больше. Пояснить это можно при помощи рисунка 14. При этом увеличится отдаваемый элементом ток, как будто бы соединим несколько элементов параллельно (рис. 15). ЭДС останется такой же.

4. Сделать несколько чередующихся пар электродов в одной ёмкости с электролитом по аналогии с кислотным автомобильным аккумулятором (рис. 16). Эффект будет такой же, как в предыдущем пункте.

5. Продумать устройство оперативного анализа состояния электролита. Например, индикатор наподобие лакмусовой бумаги для проверки концентрации ионов.

6. Выбрать материалы электродов с большей разницей потенциалов в электрохимическом ряду.

Рис. 14. Шероховатость электрода

Рис. 15. Параллельное соединение электродов

Рис. 16. Чередующиеся пары электродов

В результате проделанной работы достигнуты следующие результаты:

1. Изучены разновидности химических источников тока, их принцип работы. Определены основные характеристики источников.

2. Изготовлен и исследован действующий гальванический элемент на основе пары электродов Zn — Cu .

3. Изучено влияние нескольких типов электролита, доступных в быту.

4. Отмечено, что фактическое значение ЭДС получилось ниже теоретического. Вероятно, это связано с применением химически не чистых материалов электродов и электролитов.

5. Определены возможные способы улучшения характеристик элемента.

Список использованных источников и литературы

Глинка, Н.Л. Общая химия / В.А. Попков. – Москва, 1985

Хомченко, Г.П. Пособие по химии для поступающих в ВУЗы / Г.П. Хомченко, — Москва, 1998

«Гальванический элемент»: Википедия // URL : https://ru.wikipedia.org/wiki/Гальванический_элемент

«Принцип работы гальванического элемента»: Как Это Работает? // URL : https :// kakrabotaet . ru / kak — eto — rabotaet / princzip — raboty — galvanicheskogo — elementa /

Просмотров работы: 329

Старт в науке

XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Учредителями Конкурса являются Международная ассоциация учёных, преподавателей и специалистов – Российская Академия Естествознания, редакция научного журнала «Международный школьный научный вестник», редакция журнала «Старт в науке».

Медно-цинковый элемент.

Медно-цинковый элемент (элемент Даниэля) состоит из двух полуэлементов(или электродов): I — цинковая пластинка погружена в раствор ZnSO4, II — медная пластинка — в растворCuSO4. Полуэлементы соединены ионным мостиком III.

При замыкании внешней цепи IV на аноде происходит окисление цинка:

Zn — 2е = Zn 2+

На катоде — восстановление ионов меди:

Cu 2+ + 2е = Cu

За счет окислительно-восстановительной реакции по

внешней цепи течет поток электронов от цинкового электрода к медному, а по ионному мостику движутся сульфат-ионы. Цинковый электрод постепенно растворяется, на медном выделяется металлическая медь. Схеме элемента запишется так:

анод(-) Zn ZnSO4 CuSO4 Cu катод(+)

Электродвижущая сила гальванического элемента

Полная схема гальванического элемента с учетом внешней цепи, состоящей, например, из медного проводника, будет:

анод(-) CuZn ZnSO4 CuSO4 Cu катод(+)

На каждой межфазной границе существует скачок электрического потенциала. Это контактный потенциал в месте сопрокосновения меди и цинкак, абсолютные электродные потенциалы Zn иCu на границе металл-раствор, диффузионный потенциал Дна границе, разделяющей растворы. Применение ионного мостика делает диффузионный потенциал пренебрежимо малыми его можно считать равным нулю. Если отсчитывать абсолютный электродный потенциал, полагая положительным переход от раствора к металлу, то для электродвижущей силы ЭДС данного гальванического элемента можно написать равенство:

Е = Cu — Zn + к

а для гальванического элемента, содержащего металлы

Е = 1 — 2 + 12

Электрохимическая коррозия

В результате соприкосновения металла с электролитом образуется гальванический элемент, в котором металл представляет собой анод, окисляющийся в процессе реакции. При этом, если металл будет выступать в роли катода, то реакция не произойдёт. Так, например, что бы защитить металл от коррозии, мы можем пропустить через него ток так, что при взаимодействии со средой, металл будет являться катодом.

Скачать статью в формате PDF.

УДК: 544.6 ГРНТИ: 31.15.33
Автор статьи: Zakhar Telyatnikov
Редактор: Anna Vasilieva
Дата написания статьи:
—> Дата редакции статьи: 23.10.2023

  • Гальванический элемент и его характеристики

    На схемах химические источники электрической энергии изображаются в виде двух черточек: положительный электрод — в виде длинной и тонкой, а отрицательный— в виде короткой и толстой (рис. 2).

    Простейший химический источник электрической энергии гальванический элемент и его условное изображение на схемах

    Рис. 2. Простейший химический источник электрической энергии — гальванический элемент — и его условное изображение на схемах.

    Описанный выше простейший химический источник электрической энергии — гальванический элемент, состоящий из цинковой и угольной пластинок, погруженных в раствор кислоты, — практически не может быть использован для питания радиоустройств из-за присущего ему большого недостатка.

    Как отмечалось, при работе такого элемента на угольной пластинке выделяются пузырьки водорода, в результате чего через очень непродолжительное время вся угольная пластинка оказывается покрытой слоем этих пузырьков, которые, во-первых, препятствуют прохождению тока и, во-вторых, уменьшают э. д. с. элемента.

    Это явление носит название поляризации элемента.

    Чтобы уничтожить или хотя бы уменьшить вредное влияние поляризации, положительный угольный электрод элемента покрывают особыми веществами — деполяризаторами, которые легко соединяются с водородом.

    В зависимости от применяемого электролита, материала электродов и деполяризатора получается тот или иной тип гавальнического элемента.

    Наибольшее распространение в радиотехнике получили угольно-цинковые элементы. В них электродами служат угольная и цинковая пластинки, электролитом— 15-проиентный раствор нашатыря, а деполяризатором — перекись марганца.

    Перекись марганца — вещество, богатое кислородом. Кислород может легко отделяться от перекиси марганца (перекись марганца переходит в окись марганца) и соединяется с образующимся возле угольного электрода водородом, образуя воду.

    В настоящее время промышленностью выпускаются сухие и водоналивные угольно-цинковые элементы.

    Устройство сухого гальванического элемента показано на рис. 3. Элемент состоит из цинковой коробки, являющейся одновременно отрицательным полюсом, угольного электрода, служащего положительным полюсом, деполяризатора и электролита.

    Деполяризатор представляет собой плотно спрессованную массу, покрывающую угольный электрод и заключенную в холщовый мешочек. Основу этой массы составляет перекись марганца.

    К обоим электродам элемента присоединены изолированные проводники. В электролит добавляются крахмал или мука, чтобы получилась непроливающаяся желеобразная масса.

    Внешний вид и устройство сухого угольно-цинкового элемента Элемент помещают в картонный футляр, а сверху для предохранения от высыхания его заливают слоем смолы

    Рис 3. Внешний вид и устройство сухого угольно-цинкового элемента

    Элемент помещают в картонный футляр, а сверху для предохранения от высыхания его заливают слоем смолы.

    В водоналивных элементах вместо сгущенного электролита помещают сухой нашатырь. В таком состоянии эти элементы могут храниться продоіжи-тельное время. Перед употреблением в элемент через специальные отверстия наливается чистая вода, растворяющая нашатырь.

    Оцените статью
    TutShema
    Добавить комментарий