Гальванічний елемент

Для того щоб скласти схему гальванічного елемента, необхідно зрозуміти принцип його дій, особливості будови.

Споживачі рідко звертають увагу на акумулятори та батарейки, при цьому саме ці джерела струму мають найбільший попит.

Хімічні джерела струму

Що собою являє гальванічний елемент? Схема його грунтується на електроліті. У пристрій входить невеликий контейнер, де розташовується електроліт, адсорбируемого матеріалом сепаратора. Крім того, схема двох гальванічних елементів передбачає наявність Як називається такий гальванічний елемент? Схема, що зв'язує між собою два металу, передбачає наявність окисно-відновної реакції.

Найпростіший гальванічний елемент

Він має на увазі наявність двох пластин або стрижнів, виконаних з різних металів, які занурені в розчин сильного електроліту. В процесі роботи даного гальванічного елемента, на аноді здійснюється процес окислення, пов'язаний з віддачею електронів.

На катоді - відновлення, що супроводжується прийняттям негативних частинок. Відбувається передача електронів по зовнішньому ланцюзі до окислювача від відновника.

Приклад гальванічного елемента

Для того щоб скласти електронні схеми гальванічних елементів, необхідно знати величину їх стандартного електродного потенціалу. Проаналізуємо варіант мідно-цинкового гальванічного елемента, який функціонує на основі енергії, що виділяється при взаємодії сульфату міді з цинком.

Цей гальванічний елемент, схема якого буде приведена нижче, називають елементом Якобі-Даніеля. Він включає в себе яка занурена в розчин мідного купоросу (мідний електрод), а також він складається з цинкової пластини, що знаходиться в розчині його сульфату (цинковий електрод). Розчини стикаються між собою, але для того, щоб не допускати їх змішування, в елементі використовується перегородка, виконана з пористого матеріалу.

Принцип дії

Як функціонує гальванічний елемент, схема якого має вигляд Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Під час його роботи, коли замкнута електрична ланцюг, відбувається процес окислення металевого цинку.

На його поверхні зіткнення з розчином солі спостерігається перетворення атомів в катіони Zn2 +. Процес супроводжується виділенням «вільних» електронів, які пересуваються по зовнішньому ланцюзі.

Реакцію, яка на цинковій електроді, можна представити в наступному вигляді:

Відновлення катіонів металу здійснюється на мідному електроді. Негативні частки, які потрапляють сюди з цинкового електрода, об'єднуються з катіонами міді, облягаючи їх у вигляді металу. Даний процес має наступний вигляд:

Якщо скласти дві реакції, розглянуті вище, виходить сумарне рівняння, що описує роботи цинково-мідного гальванічного елемента.

Як анода виступає цинковий електрод, катодом служить мідь. Сучасні гальванічні елементи та акумулятори допускають застосування одного розчину електроліту, що розширює сфери їх застосування, робить їх експлуатацію більш комфортною і зручною.

Різновиди гальванічних елементів

Найпоширенішими вважають вугільно-цинкові елементи. У них застосовується пасивний вугільний колектор струму, що контактує з анодом, в якості якого виступає оксид марганцю (4). Електролітом є хлорид амонію, застосовуваний в пасти вигляді.

Він не розтікається, тому сам гальванічний елемент називають сухим. Його особливістю є можливість «відновлюватися» протягом роботи, що позитивно відбивається на тривалості їх експлуатаційного періоду. Такі гальванічні елементи мають невисоку вартість, але невисоку потужність. При зниженні температури вони знижують свою ефективність, а при її підвищенні відбувається поступове висихання електроліту.

Лужні елементи передбачають використання розчину лугу, тому мають досить багато областей застосування.

В літієвих елементах в якості анода виступає активний метал, що позитивно відбивається на терміні експлуатації. Літій має негативний тому при невеликих габаритах подібні елементи мають максимальну номінальну напругу. Серед недоліків подібних систем можна виділити високу ціну. Розтин літієвих джерел струму є вибухонебезпечним.

Висновок

Принцип роботи будь-якого гальванічного елемента грунтується на окисно-відновних процесах, що протікають на катоді і аноді. Залежно від використовуваного металу, обраного розчину електроліту, змінюється термін служби елемента, а також величина номінальної напруги. В даний час затребувані літієві, кадмієві гальванічні елементи, які мають досить тривалий термін своєї служби.

Передумови до появи гальванічних елементів. Трохи історії. У 1786 році італійський професор медицини, фізіолог Луїджі Алоїзіо Гальвані виявив цікаве явище: м'язи задніх лапок свежевскритого трупика жаби, підвішеного на мідних гачках, скорочувалися, коли вчений торкався до них сталевим скальпелем. Гальвані тут же зробив висновок, що це - прояв «тваринної електрики».

Після смерті Гальвані, його сучасник Алессандро Вольта, будучи хіміком і фізиком, опише і публічно продемонструє більш реальний механізм виникнення електричного струму при контакті різних металів.

Вольта, після серії експериментів, прийде до однозначного висновку про те, що ток з'являється в ланцюзі через наявність в ній двох провідників з різних металів, поміщених в рідину, і це зовсім не «тварина електрику», як думав Гальвані. Сіпання лапок жаби було наслідком дії струму, що виникає при контакті різних металів (мідні гачки і сталевий скальпель).

Вольта покаже ті ж явища, які демонстрував Гальвані на мертвої жаби, але на зовсім неживому саморобному електрометрію, і дасть в 1800 році точне пояснення виникненню струму: «провідник другого класу (рідкий) знаходиться в середині і стикається з двома провідниками першого класу з двох різних металів ... Внаслідок цього виникає електричний струм того чи іншого напрямку ».

В одному з перших експериментів Вольта опустив в банку з кислотою дві пластинки - цинкову і мідну - і поєднав їх дротом. Після цього цинкова пластина початку розчинятися, а на мідній стали виділятися бульбашки газу. Вольта припустив та довів, що по дроті протікає електричний струм.

Так був винайдений «елемент Вольта» - перший гальванічний елемент. Для зручності Вольта надав йому форму вертикального циліндра (стовпа), що складається із сполучених між собою кілець цинку, міді і сукна, просочених кислотою. Вольтів стовп заввишки в півметра створював напругу, чутливе для людини.

Оскільки початок дослідженням поклав Луїджі Гальвані, то і назва зберегло пам'ять про нього в своїй назві.

Гальванічний елемент- це хімічне джерело електричного струму, заснований на взаємодії двох металів та / або їх оксидів в електроліті, що приводить до виникнення в замкнутому ланцюзі електричного струму. Таким чином, в гальванічних елементах хімічна енергія переходить в електричну.

Гальванічні елементи сьогодні

Гальванічні елементи сьогодні називають батарейками. Широко поширені три типи батарейок: сольові (сухі), лужні (їх називають ще алкалінових, «alkaline» в перекладі з англійської - «лужної») і літієві. Принцип їх роботи - все той же, описаний Вольта в 1800 році: два метали, і у зовнішній замкненого кола виникає електричний струм.

Напруга батарейки залежить як від використовуваних металів, так і від кількості елементів в «батарейці». Батарейки, на відміну від акумуляторів, не здатні до відновлення своїх властивостей, оскільки в них відбувається пряме перетворення енергії хімічної, тобто енергії складових батарейку реагентів (відновлення і окислювача), в енергію електричну.

Вхідні в батарейку реагенти, в процесі її роботи витрачаються, ток при цьому поступово зменшується, тому дія джерела закінчується після того як реагенти відреагують повністю.

Лужні та сольові елементи (батарейки) широко застосовуються для харчування різноманітних електронних пристроїв, радіоапаратури, іграшок, а літієві найчастіше можна зустріти в портативних медичних приладах типу глюкометрів або в цифровій техніці начебто фотоапаратів.

Марганцево-цинкові елементи, які називають сольовими батарейками - це «сухі» гальванічні елементи, всередині яких немає рідкого розчину електроліту.

Цинковий електрод (+) - це катод у формі склянки, а анодом служить порошкоподібна суміш з діоксиду марганцю з графітом. Струм тече через графітовий стрижень. В якості електроліту використовується паста з розчину хлориду амонію з додаванням крохмалю або борошна для загущення, щоб нічого не текло.

Зазвичай виробники батарейок не вказують точний склад сольових елементів, тим не менш, сольові батарейки є найдешевшими, їх зазвичай використовують в тих пристроях, де енергоспоживання вкрай низько: в годинах, в пультах дистанційного управління, в електронних термометрах і т. П.

Поняття "номінальна ємність" рідко вживається для характеристики марганцево-цинкових батарейок, так як їх ємність сильно залежить від режимів і умов експлуатації. Основними недоліками цих елементів є значна швидкість зниження напруги на всьому протязі розряду і значне зменшення віддається ємності при збільшенні струму розряду. Кінцеве розрядна напруга встановлюють залежно від навантаження в інтервалі 0,7-1,0 В.

Важлива не тільки величина струму розряду, а й часовий графік навантаження. При переривчастому розряді великими і середніми струмами, чи батареї помітно збільшується в порівнянні з безперервним режимом роботи. Однак при малих розрядних токах і багатомісячних перервах в роботі ємність їх може знижуватися в результаті саморазряда.

Вище на графіку зображені розрядні криві для середньої сольовий батарейки за 4, 10, 20 і 40 годин для порівняння з лужної, про яку мова піде далі.

Лужний елемент живлення - марганцево-цинковий гальванічний елемент живлення, в якому в якості катода використовується діоксид марганцю, в якості анода - порошкоподібний цинк, а в якості електроліту - розчин лугу, зазвичай у вигляді пасти гідроксиду калію.

Ці батарейки мають цілу низку переваг (зокрема, істотно більшою ємністю, найкращою роботою при низьких температурах і при великих токах навантаження).

Лужні батарейки, в порівнянні з сольовими, можуть забезпечувати більший струм протягом тривалого часу. Більший струм стає можливим, оскільки цинк тут використовується не у вигляді склянки, а в вигляді порошку, що володіє більшою площею зіткнення з електролітом. В якості електроліту застосовується гідроксид калію у вигляді пасти.

Саме завдяки здатності даного виду гальванічних елементів протягом тривалого часу віддавати значний струм (до 1 A), лужні батарейки найбільш поширені в даний час.