Почему для гальванического элемента используют электроды из разных материалов

Гальванические элементы и коррозия – принципы работы, типы и применение, а также методы предотвращения коррозии.

Гальванические элементы и коррозия: простое объяснение и ключевые свойства обновлено: 10 октября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

В химии существует множество интересных и важных тем, одной из которых являются гальванические элементы и коррозия. Гальванические элементы – это устройства, которые преобразуют химическую энергию в электрическую. Они играют важную роль в нашей жизни, применяются в различных областях, от бытовых приборов до автомобилей и электроники.

Однако, гальванические элементы подвержены коррозии, процессу разрушения материала под воздействием окружающей среды. Понимание принципов работы гальванических элементов и методов предотвращения коррозии является важным для поддержания их эффективности и долговечности.

В этой лекции мы рассмотрим основные понятия и свойства гальванических элементов, принцип их работы, различные типы гальванических элементов и их применение. Также мы обсудим процесс коррозии и методы предотвращения этого нежелательного явления.

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Гальванический элемент. Электрохимический ряд напряжений

Измерить электродный потенциал на металле в водном растворе экспериментально невозможно, так как для этого необходимо создать электрохимическую систему, включающую в себя два электрода, каждый из которых обладает собственным электродным потенциалом, поэтому составляют электрохимические системы — гальванические элементы, позволяющие определять сравнительную величину электродного потенциала.

Электрохимическая система состоит из двух электродов — анода и катода, соединенных друг с другом внутренней и внешней цепью. Роль внутренней цепи выполняет электролит, внешней — металлический проводник, соединяющий электроды. Различают два типа электрохимических систем — электролизеры и гальванические элементы. Рассмотрим особенности гальванических элементов.

Гальваническим элементом называется прибор (устройство), состоящий из катода, анода, внешней и внутренней цепи, в котором энергия химической реакции превращается в электрическую энергию.

Анод — электрод, на котором реализуется реакция окисления; в гальваническом элементе заряжен отрицательно.

Катод — электрод, на котором осуществляется реакция восстановления; в гальваническом элементе заряжен положительно.

Гальванический элемент позволяет определить электродвижущую силу ЭДС, которая характеризует возможность протекания электрохимических реакций. Величина ЭДС определяет восстановительную активность металла. ЭДС рассчитывают по формуле

Гальванические элементы. 1 часть. 10 класс.

где Ек — потенциал катода; /Га — потенциал анода. Электрохимический процесс возможен, если ЭДС больше нуля. Для получения сравнимых значений величин электродных потенциалов были созданы электроды сравнения. Базисным электродом сравнения является нормальный водородный электрод (н. в. э.).

Нормальным водороднъш электродом называется система, состоящая из платинированной платиновой пластинки, помещенной в сосуд с серной кислотой, при этом активность катионов водорода равна 1 (pH = 0); через кислоту барбатирует («пробулькивает») очищенный молекулярный водород под давлением, равным одной атмосфере.

Схема н. в. э. изображена на рис. 3.2. Разность потенциала в н. в. э. на границе раздела фаз принята равной нулю. Платинированная платина — металлическая платиновая пластинка, покрытая слоем сильно измельченной платины — платиновой черни.

Платину платинируют для того, чтобы создать большую поверхность (в платинированной платине хорошо растворяется мо-

Схема нормального водородного электрода

Рис. 3.2. Схема нормального водородного электрода:

/ — платинированная платиновая пластинка; 2 — стеклянная трубка для подачи водорода; 3 — трубка для отвода избытка водорода;

4 — трубка, заполненная электролитом для соединения с другим электродом

Схема гальванического элемента для определения потенциала с помощью электрода сравнения

Рис. 3.3. Схема гальванического элемента для определения потенциала с помощью электрода сравнения:

  • 1 — потенциометр;
  • 2 — электрод сравнения (хлорсерсбряный и др.);
  • 3 — рабочий электрод лекулярный водород, за счет чего возникает подобие твердого водорода).

Формула н. в. э.: в ионном виде: Pt || Н21| 2Н* дн = 101,3 кПа; я(Н + ) = 1 моль/л; в молекулярном виде: Pt || Н21| H2S04

Существуют и другие электроды сравнения — каломельный, хлорсеребряный и др.

Для характеристики электрохимических потенциалов используют стандартные электродные потенциалы, для чего составляют гальванические элементы и измеряют их ЭДС при Т = 298 К, р = 0,1 МПа и с = 1 моль/л ионов в растворе.

Стандартным электродным потенциалом называется ЭДС гальванического элемента, образованного н. в. э. и электродом из данного металла, помещенного в раствор собственной соли, в котором активность катионов данного металла составляет 1 моль/л при Т = 298 К (схема гальванического элемента изображена на рис. 3.3).

Стандартные электродные потенциалы сведены в ряд и называются электрохимическим рядом напряжений, в него входит водород.

Электрохимический ряд напряжений — ряд металлов, включающий в себя водород, которые расположены в порядке возрастания положительного значения стандартного электродного потенциала (см. приложение 3).

Чем положительнее стандартный потенциал металла, тем менее активным восстановителем он является в водной среде и более активным окислителем является его катион. Так, атом меди является менее активным восстановителем (Е0 = +0,64 В), чем атом цинка (Е0 = -0,76 В), а катион меди — более активным окислителем, чем катион цинка. Электрохимический ряд напряжений применим только для процессов, протекающих в водной среде. Используя ряд напряжений, учитывают правило:

металл может вытеснять из водного раствора соли только те металлы, которые имеют большее положительное значение стандартного электродного потенциала, чем таковые для вытесняющего металла.

Так, железо может вытеснять медь из растворов ее солей, а медь — не может (почему 7).

Задания для самостоятельной работы

  • 1. Назовите основные составные части гальванического элемента и поясните, почему его относят к электрохимическим системам.
  • 2. Поясните, является (не является) знак заряда электрода признаком, определяющим его принадлежность: а) к аноду; б) к катоду.
  • 3. Напишите формулу нормального водородного электрода и поясните его роль при изучении электрохимических процессов.
  • 4. Поясните, может (не может) железо вытеснять магний из водных растворов его солей (ответ обоснуйте на основе расчета ЭДС гальванического элемента).
  • 5. Поясните, какова роль гальванических элементов в строительстве.

Химические источники электрического тока. Гальванические элементы

Химические источники электрического тока или гальванические элементыпреобразуют энергию, выделяющуюся при протекании окислительно-восстановительных реакций, в электрическую энергию. Гальванические элементы служат источниками постоянного тока. Они подразделяются нахимическиеиконцентрационные.

Простейший химический гальванический элемент можно составить из двух металлических электродов, имеющих различные электродные потенциалы, и соединенных в замкнутую цепь.

На электроде, который имеет меньшее значение электродного потенциала, будет происходить процесс окисления. Такой электрод называется иначе анодом.

На электроде, который имеет большее значение электродного потенциала, будет происходить процесс восстановления. Такой электрод называется иначе катодом.

Рассмотрим более подробно принцип работы гальванических элементов на примере элемента, составленного из цинкового и медного электродов. Такой элемент называется иначе элементом Якоби-Даниэля(рис. 94).

Рис. 94. Схема медно-цинкового гальванического элемента

Каждый электрод состоит из металлической пластинки, опущенной в раствор соли: ZnSO4иCuSO4, соответственно.

Растворы солей отделены друг от друга пористой перегородкой, сквозь которую легко могут проходить ионы металлов и SO4 2- . Часто вместо пористой перегородки используют «солевой мостик» – стеклянную изогнутую трубку, заполненную насыщенным растворомKCl(рис. 95). В этом случае электроды не контактируют друг с другом, каждый из них находится в отдельном сосуде, которые соединяются с помощью солевого мостика.

Рис. 95. Схема медно-цинкового элемента с солевым мостиком: 1 – цинковая пластинка; 2 – медная пластинка; 3 – солевой мостик

При этом на цинковом электроде происходит процесс окисления:

в результате которого ионы цинка с пластинки переходят в раствор. Избыточные электроны по металлическому проводнику с цинковой пластинки переходят на медную и восстанавливают содержащиеся в растворе ионы Cu 2+

которые в виде нейтральных атомов оседают на пластинке. Остающиеся свободные сульфат-ионы медного электрода и появившиеся в избытке ионы Zn 2+ цинкового электрода через пористую перегородку или солевой мостик перемещаются навстречу друг другу. Таким образом, в цепи осуществляется перенос электрических зарядов и возникает электрический ток.

В этом элементе электрическая энергия получается в результате протекания химической реакции

Основной характеристикой гальванического элемента является электродвижущая сила (э.д.с.), от которой зависит сила тока в цепи. Она равна разности электродных потенциалов

где Е1 и Е2 – соответственно, потенциал анода и катода.

Для гальванического элемента Якоби-Даниэля электродвижущая сила равна

Чем выше значение э.д.с. элемента, тем больше сила тока в его цепи.

Согласно уравнению Нернста, потенциал медного и цинкового электродов рассчитывается по формулам:

ECu =ECu 0 +

EZn=EZn 0 +

Вычитая второе уравнение из первого получим выражение для расчета э.д.с. медно-цинкового гальванического элемента

э.д.с. = ECu 0 –EZn 0 + =

= ECu 0 –EZn 0 +

Для любого другого элемента, составленного из двух металлических электродов, и в основе работы которого лежит химическая реакция, электродвижущая сила может быть вычислена по формуле:

э.д.с. = E2 0 –E1 0 +

где Е2 0 и Е1 0 – стандартные электродные потенциалы, соответственно, катода и анода; n2 и n1 – величины зарядов ионов, участвующих в полуреакциях, которые протекают на катоде и аноде; а2 и а1 – активности ионов металла в растворах у катода и анода, соответственно).

Для температуры 298K, при подстановке значений константRиFи при переходе от натурального логарифма к десятичному наше уравнение запишется иначе:

э.д.с. = E2 0 –E1 0 + 0,059

Гальванические элементы можно обозначать в виде схемы. Слева обычно приводится электрод или полуэлемент с меньшим значением электродного потенциала (анод), а справа – с большим значением электродного потенциала (катод).

При записи электродов сперва указывают твердую фазу (например, металл в случае металлического или редокс-электрода), а затем – вещества, растворенные в жидкой фазе. Фазы отделяются друг от друга одной вертикальной чертой. Если в одной фазе содержится несколько компонентов, то они записываются через запятую.

Границу раздела между растворами двух электродов изображают пунктирной вертикальной чертой или двумя сплошными линиями  (если растворы отделяются друг от друга солевым мостиком).

В соответствии с вышеизложенными правилами, схема элемента Якоби-Даниэля выглядит следующим образом:

Гальванический элемент может быть составлен и из двух редокс-электродов, имеющих разное значение редокс-потенциала. Такие элементы называются иначе окислительно-восстановительными гальваническими элементами. Они тоже относятся к химическим гальваническим элементам, т.к. в основе их действия лежит протекание химической реакции.

Гальванический элемент, в котором источником энергии является не химическая реакция, а работа выравнивания концентраций (активностей) ионов, называется концентрационным. Он может состоять из двух одинаковых металлических электродов, погруженных в растворы одной и той же соли, но с различной концентрацией (активностью) ионов металла (рис. 96), например:

Zn  ZnSO4  ZnSO4  Zn или Ag  AgNO3  AgNO3  Ag

Рис. 96. Цинковая концентрационная цепь: М – солевой мостик, содержащий хлорид калия

Электрод, находящийся в более разбавленном растворе, растворяется, его ионы переходят в раствор:

Сам электрод при этом заряжается отрицательно.

На электроде, погруженном в более концентрированный раствор, наоборот, осаждаются ионы металла, и он заряжается положительно. Таким образом, на обоих электродах протекают процессы, приводящие к выравниванию концентрации ионов металла в растворах.

Потенциалы электродов при этом равны:

E1 = E 0 + ; E2 = E 0 +

Вычитая первое уравнение из второго, получим формулу для подсчета э.д.с. с концентрационного элемента:

э.д.с. = E2–E1=

э.д.с. =

Концентрационный элемент будет работать до тех пор, пока активности ионов металлов в обоих растворах не сравняются; при а1= а2его э.д.с. будет равна 0.

Подготовка к работе 1. ответьте на следующие вопросы: • Почему металлическая пластина, находясь в электролите, приобретает электрический заряд? . Всякая ли жидкость является электролитом? Почему для гальванического элемента используют электро- ды из разных материалов? 2. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений. Раствор Кипячёная Раствор лимонной поваренной соли Материалы электродов Номер опыта вода кислоты Медь цинк 1 Графит цинк 2 — Графит 3 медь Медь 4 медь ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Подготовка к работе 1. ответьте на следующие вопросы: • Почему металлическая пластина, находясь в эл

Представимся учителем и приступим к ответам на ваши вопросы.

1. Почему металлическая пластина, находясь в электролите, приобретает электрический заряд?
Металлическая пластина приобретает электрический заряд из-за процесса окисления и восстановления, который происходит внутри электролита. В электролите содержатся ионы, которые могут носить положительный или отрицательный заряд. При наличии разницы в электроотрицательности материалов, из которых состоят электроды, происходит перенос этих ионов на поверхность электрода, создавая электрический заряд.

2. Всякая ли жидкость является электролитом?
Нет, не всякая жидкость является электролитом. Чтобы жидкость считалась электролитом, она должна содержать ионы, способные проводить электрический ток. Например, соль, кислоты и щелочи являются электролитами, так как они в растворе рассщепляются на ионы.

3. Почему для гальванического элемента используют электроды из разных материалов?
Гальванический элемент состоит из двух электродов, где каждый электрод состоит из разного материала. Это делается для создания разности в электроотрицательности между электродами, что необходимо для протекания электрохимических реакций. Разность электроотрицательностей приводит к тому, что ионы электролита взаимодействуют с электродами и происходят окислительно-восстановительные реакции, перенося электроны между электродами и производя электрический ток.

Теперь перейдем к подготовке таблицы:

| Раствор кипяченой воды | Раствор лимонной кислоты | Раствор поваренной соли |
—————————————————————————————-
Материалы электродов | Графит цинк | Графит | Медь |
—————————————————————————————-
Номер опыта | 1 | 2 | 3 |
—————————————————————————————-
Электроды | Медь цинк | — | Графит медь |
—————————————————————————————-
Результаты измерений можно записывать в соответствующие ячейки таблицы, в зависимости от того, какое измерение проводилось в каждом опыте. Это позволит отследить взаимосвязь между материалом электродов, раствором и результатами измерений.

Пожалуйста, обратите внимание, что для ответа на ваш вопрос я использовал максимально подробные объяснения и пошаговое решение. Если у вас возникнут еще какие-либо вопросы, я с радостью на них отвечу.

Типы гальванических элементов

Выделяют ряд батареек определенных типов.

Таблица гальванических элементов

ТипНапряжениеОсновные плюсы
Литиевые3 VБольшая емкость, высокая сила тока.
Солевые батарейки или угольно — цинковые1.5 вСамые дешевые.
Никельоксигидроксильные NiOOH1.6 вольтПовышенный ток. Большая емкость.
Щелочные или алкалиновые1.6 VБольшая сила тока. Хороший объем.

Более детальнее эта тема раскрыта в статье виды батареек!

Назначение гальванического элемента

Он предназначен для запуска электрической технике. Это могут быть:

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

И им подобные окружающие нас вещи.

Гальванический элемент в домашних условиях

Простой источник тока можно сделать и своими руками. Для этого нам потребуется следующий инвентарь:

  1. Пластиковый стакан.
  2. Электролит. В качестве него можно взять соленый раствор, газировку или лимонную кислоту, разведенную в воде.
  3. Пластинки двух разных металлов. К примеру алюминий и медь.
  4. Провода

Процесс изготовления

Берем пластиковый стаканчик и наливаем в него электролит. Не следует наполнять стакан до самых краев. Лучше на 1-2 сантиметра не долить. К металлическим пластинам прикрепите проводники. Далее установите на края нашей емкости пластины из меди и алюминия. Они должны располагаться параллельно друг к другу. Когда все готова можно замерить с помощью вольтметра напряжение.

Подключите прибор и прикоснитесь щупами к контактам нашего источника тока. Держите и не отрывайте их пока на дисплее не высветится напряжение. Обычно оно составляет 0.5-0.7 вольт. Такие цифры показываются в зависимости от электролита. Точнее используемого вещества в его качестве.

Более детально создание батареи своими руками описано в этой статье.

Таким образом изготавливается самодельный гальванический элемент.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий