GALVANSKE BATERIJE - grupe galvanskih ćelija međusobno električnih spojeva koje proizvode električnu energiju zahvaljujući hemikalijama. reakcije koje se javljaju između aktivnih materijala elektroda. Galvanske baterije najčešće koriste galvanske ćelije, kod kojih je pozitivna elektroda napravljena od mješavine mangan-dioksida i grafita, a negativna elektroda od cinka. Kao elektrolit se obično koristi otopina amonijevog hlorida (amonijaka) i drugih hloridnih soli. Takvi elementi se nazivaju mangan-cink.

Rice. 1. Suha ćelija u obliku čaše: 1 - negativna elektroda (cink), 2 - kartonska kutija, 3 - strujni vodovi, 4 - kapa, 5 - pozitivna elektroda, 6 - sloj elektrolita (pasta), 7 - smola, 8 - karton podloška, ​​9 - izolaciona brtva, 10 - staklena cijev (izlaz plina)

Ponekad se, pored mangan dioksida i grafita, pozitivnoj elektrodi dodaje i aktivni ugljen, koji apsorbuje kiseonik iz okolne atmosfere, što mu omogućava da se koristi u hemijskim aplikacijama. reakcije. Takvi elementi se nazivaju mangan-vazduh-cink. Imaju veći kapacitet i nižu cijenu. Za posebne namjene koriste se rasuti elementi ugljen-cink i željezo-ugljik koji imaju konstantu visokog napona. Zbog neugodnosti korištenja rasutih ćelija s tekućim elektrolitom, potonji se pretvara u viskozno stanje uz pomoć brašna, škroba, kartona ili drugih punila, zbog čega gubi fluidnost i ne izlijeva se iz ćelije ni u kojem slučaju. pozicija. Takvi elementi se nazivaju suvi.

Postoje dvije glavne vrste suhih elemenata: šolja i keks. Element čašice (Sl. 1) ima negativnu elektrodu (cink stub) u obliku cilindrične, bešavne ili sa uzdužnim šavom (lemljeni, zavareni, valjani) pravougaone čašice. Pozitivna elektroda je cilindar ili prizma pritisnuta na ugljeničnu šipku koja služi kao provodnik struje. Pozitivna elektroda se postavlja unutar negativne, a prostor između njih je ispunjen kondenzovanim elektrolitom. U elementu keksa (slika 2) elektrode imaju oblik ploča koje su odvojene kartonskom dijafragmom impregniranom elektrolitom. Svi dijelovi su zategnuti elastičnim vinilhloridnim rubom (prstenom). Strujni provodnik je sloj elektroprovodljive mase, nepropustan za elektrolit, nanesen na vanjsku stranu cink elektrode. Mangan-vazduh-cink elementi se proizvode samo u obliku čašice.

Rice. 2. Suva ćelija tipa keksa: 1 - negativna elektroda (cink) sa elektroprovodljivim slojem, 2 - pozitivna elektroda, 3 - kartonske dijafragme impregnirane elektrolitom, 4 - papir za umatanje pozitivne elektrode, 5 - vinil hloridni prsten

Glavni pokazatelji elementa su njegova elektromotorna sila (emf) i napon, čija se vrijednost mjeri voltmetrom (vidi), u prvom slučaju - u odsustvu otpora opterećenja, u drugom - pri povezivanju otpora opterećenja propisano standardom. E.m.f. mangan - cink elementi u rasponu od 1,5 do 1,8 V, e. d.s. mangan-vazduh-cink elementi je 1,4 V. Vrijednost napona elementa je uvijek manja od e. d.s., razlika između njih se povećava sa smanjenjem otpora opterećenja. Najvažniji parametri galvanskih baterija su i količina električne energije koju isporučuju i sposobnost dugotrajnog skladištenja (sigurnost). Količina oslobođene energije mjeri se ili trajanjem rada elementa u satima, ili njegovim električnim kapacitetom u - satu. Pošto napon elementa opada tokom pražnjenja, onda u teh. dokumentacija uvijek specificira donju granicu napona (konačni napon), koja određuje donju granicu njegovih performansi. Pri datom konačnom naponu, električni kapacitet elementa, a samim tim i trajanje njegovog rada, zavisi i od temperature i vrednosti otpora opterećenja (vidi tabelu 1), kao i od frekvencije pražnjenja.

Kapacitet galvanskih baterija raste sa povećanjem otpornosti na opterećenje i povećanjem temperature. Najniža temperatura na kojoj elementi mogu da rade: za mangan-cink -20°, za mangan-vazduh-cink -5°. Učestalost pražnjenja karakterizira smjena i trajanje perioda pražnjenja i mirovanja elementa. U pravilu, mangan - cink ćelije s povremenim pražnjenjem daju veći kapacitet nego s kontinuiranim pražnjenjem, a mangan - zrak - cink ćelije, naprotiv, daju manje.

Sigurnost galvanskih baterija (ćelija) je period od trenutka proizvodnje do početka rada, tokom kojeg proizvod zadržava svoju funkcionalnost. Količina preostalog kapaciteta (ili radnog vremena) određena je standardom i obično iznosi 60-75% originala.

Rok trajanja naveden na etiketi je minimalan i skoro uvijek su baterije galvanske i ćelije se mogu koristiti neko vrijeme. Njihova prikladnost u ovom slučaju određena je naponom.

Povezivanje elemenata u galvanskim baterijama može biti serijsko, paralelno i mješovito. U serijskoj vezi, pozitivni pol jednog elementa je povezan sa negativnim polom sljedećeg elementa itd. (Sl. 3).

Rice. 3. Dijagram serijskog povezivanja elemenata

Rice. 4. Šema paralelnog povezivanja elemenata baterije

Rice. 5. Mješoviti spoj ćelija baterije

Ovakav spoj elemenata služi za stvaranje većeg napona galvanske baterije, koji je u ovom slučaju direktno proporcionalan broju serijski spojenih elemenata. Kapacitet galvanske baterije se ne mijenja i jednak je kapacitetu pojedinog elementa. Paralelno spajanje se izvodi spajanjem, s jedne strane, svih pozitivnih polova elemenata, a s druge negativnih (slika 4). Istovremeno se povećava kapacitet galvanske baterije, a njen napon ostaje jednak naponu pojedinog elementa. Za mješovitu vezu koriste se obje gore navedene metode: nekoliko identičnih grupa se sastavlja serijskim povezivanjem elemenata koji su međusobno povezani paralelno (slika 5). Istovremeno, i napon i kapacitivnost se povećavaju u skladu s tim.

U zavisnosti od namjene, galvanske baterije se dijele na anodne, mrežaste, žarulje i lanterne.

Galvanske anodne baterije (Sl. 6) namijenjeni su za napajanje anodnih kola radio prijemnika.

Rice. 6. Baterija BS-G-70

Njihov napon je relativno visok - od 60 do 120 V. Koriste se za niske struje - od 3 do 12 mA. Obično ove galvanske baterije imaju dodatne strujne vodove u obliku utičnice na ploči ili mekih žica, što vam omogućava da prvo koristite dio galvanske baterije, a ostatak priključite kako napon pada. Ovaj način rada naziva se sekcijskim pražnjenjem i omogućava, u određenim granicama, da se produži vijek trajanja galvanske baterije.

Mrežne baterije galvanski su namijenjeni za stvaranje prednapona na mrežama radio cijevi.

Rice. 7. Baterija BSG-60-S-8

Koriste serijsku vezu. Napon od 4,5 do 12,0 V. Potrošnja struje ne prelazi 3 mA. Montiraju se u isto kućište sa galvanskim anodnim baterijama (slika 7) i sastavljene su od elemenata identičnih njima.

Galvanski filament baterije (Sl. 8) su dizajnirani da napajaju filamente radio cevi.

Rice. 8. Baterija BNS-MVD-500

Za stacionarne baterijske radio-uređaje (Rodina, Iskra itd.), baterije sa galvanskim vlaknima, radi stvaranja većeg kapaciteta, sastoje se od četiri paralelno povezana elementa mangan-vazduh-cink velikih dimenzija. Njihov napon je jednak naponu jednog elementa, a potrošnja struje je od 0,3 do 0,5 A. U filamentnim baterijama galvanskih prijenosnih baterijskih radio uređaja koriste se paralelne i mješovite veze malih elemenata. Za baterijski radio Tula, industrija proizvodi komplet za napajanje u posebnom kućištu, koji se sastoji od anode i užarene galvanske baterije (slika 9).

Rice. 9. Komplet - napajanje za radio "Tula"

Baterije za galvanske fenjere Dizajniran za napajanje sijalica za baterijske lampe. Odlikuju se velikom potrošnjom struje (od 150 do 280 A) pri niskom naponu (3,0-4,5 V) i malim dimenzijama. Najviše se koriste galvanske baterije tipa KBS-L-0,50 (slika 10), koje se sastoje od tri serijski spojena elementa. Za okrugle lanterne i mjerne instrumente (ommetri, avometri, itd.), industrija proizvodi cilindrične elemente tipa FBS, serijski spoj između kojih se po potrebi vrši direktno kada se umetnu u tijelo lanterne (uređaj ).

Rice. 10. Baterija za baterijsku lampu KBS-L-0.50

Legende elemenata obično imaju četiri dijela. Početni broj označava dimenzije (u mm): br. 2 - 40x40x100, br. 3-55x55x130, br. 6 - 80x80x175; slova - C - suvo, L - ljeto, X - otporno na hladnoću; sljedeći brojevi označavaju kapacitet elementa. Dakle, 3S-L-30 znači: element br. 3, suvi, ljetni, kapaciteta 30 sati. Naziv galvanskih baterija, koji počinje slovnim oznakama, sastoji se od 4-5 dijelova sa sljedećim značenjima: B - baterija, A - anoda, N - žarulja, C - suha, G - keksi, F - fenjer, K - džep. Broj iza slova za galvanske anodne baterije pokazuje napon, za baterije sa žarnom niti - kapacitet. Međutim, ponekad se u oznaci galvanskih anodnih baterija slovo A izostavlja, a na kraju oznake dodaje se drugi brojčani indikator - kapacitet galvanske baterije. Nazivi galvanskih baterija koji počinju brojevima imaju sljedeća značenja: početni broj označava napon, krajnji broj označava kapacitet, slova: MC - cink-mangan sistem, B - označava upotrebu atmosferskog kisika, H - žarulje sa žarnom niti, A - anoda, T - telefon, C - za slušne aparate, P - panel. Galvanske baterije namijenjene za napajanje radija također imaju trgovačke nazive. Galvanske baterije se označavaju stavljanjem etikete na kojoj se navodi: naziv ili zaštitni znak proizvođača, simbol naponske baterije, nazivni napon, početni kapacitet, garantni rok skladištenja i kapacitet na kraju perioda skladištenja.

Prikladnost galvanskih baterija i ćelija utvrđuje se vanjskim pregledom i mjerenjem napona na donjim provodnicima. Prilikom pregleda treba se uvjeriti da su donji provodnici netaknuti i da nema vanjskih nedostataka: lomova, uništenja smole za livenje (mastika), oštećenja i vlaženja kućišta. Napon se provjerava voltmetrom; ne bi trebao biti niži od vrijednosti navedenih u tabeli. 2. Galvanske baterije se pakuju u drvene kutije bruto težine 65-80 kg, iznutra obložene papirom otpornim na vlagu i odvojene od zidova slojem suve strugotine ili drugog materijala za pakovanje. Galvanske baterije moraju se čuvati na suvom i hladnom mestu. Visoka vlažnost u skladištu, kao i visoka temperatura, naglo smanjuju njihov rok trajanja. Niske temperature nisu opasne za galvanske baterije: nakon zagrijavanja potpuno obnavljaju svojstva. Galvanske baterije proizvode preduzeća Glavakkumulyatorproma Ministarstva elektrotehnike SSSR-a.

Lit.: Sochevanov V.G., Galvanski elementi, M., 1951; Morozov GG. i Gantmav S.A., Hemijski izvori struje za napajanje komunikacione opreme, M., 1949; Zbirni katalog hemijskih izvora struje, M., 1950.

Galvanska ćelija

Dijagram Daniel-Jacobijeve galvanske ćelije

Galvanska ćelija- zasnovano na interakciji dva metala i (ili) njihovih oksida u elektrolitu, što dovodi do pojave električne struje u zatvorenom kolu. Ime je dobio po Luiđiju Galvaniju.

Fenomen pojave električne struje kada različiti metali dođu u kontakt otkrio je italijanski fiziolog, profesor medicine na Univerzitetu u Bolonji, Luigi Galvani 1786. godine. Galvani je opisao kontrakciju mišića stražnjih nogu svježe secirane žabe, pričvršćene za bakrene kuke, kada se dodirne čeličnim skalpelom. Zapažanja je pronalazač protumačio kao manifestaciju "životinjskog elektriciteta".

Elektrohemijski generatori (gorive ćelije)- to su elementi u kojima dolazi do pretvaranja hemijske energije u električnu energiju. Oksidacijsko sredstvo i redukcijsko sredstvo se čuvaju izvan ćelije i kontinuirano i odvojeno se dovode do elektroda tokom rada. Tokom rada gorivne ćelije, elektrode se ne troše. Redukciono sredstvo je vodonik (H 2), metanol (CH 3 OH), metan (CH 4) u tečnom ili gasovitom stanju. Oksidacijsko sredstvo je obično kisik zraka ili čisti kisik. U gorivnoj ćeliji kisik-vodik s alkalnim elektrolitom, kemijska energija se pretvara u električnu energiju. Elektrane se koriste na svemirskim letjelicama; one obezbjeđuju energiju letjelici i astronautima.

Aplikacija

• Baterije Koristi se u alarmnim sistemima, baterijskim lampama, satovima, kalkulatorima, audio sistemima, igračkama, radijima, auto opremi, daljinskim upravljačima.
• Baterije Koriste se za pokretanje motora automobila, a mogu se koristiti i kao privremeni izvori električne energije na mjestima udaljenim od naseljenih mjesta.
• Gorivne ćelije koristi se u proizvodnji električne energije (u elektranama), hitnih izvora energije, autonomnog napajanja, transporta, brodskog napajanja, mobilnih uređaja.

vidi takođe

Književnost

• Ahmetov N.S. Opća i neorganska hemija
• Aksenovich L. A. Fizika u srednjoj školi: teorija. Zadaci.

Linkovi

Galvanska ćelija je hemijski izvor električne struje zasnovan na interakciji dva metala i/ili njihovih oksida u elektrolitu, nazvan po italijanskom naučniku Luiđiju Galvaniju.

Kasnije je naučnik sastavio bateriju od bakarno-cink ćelija, koja je kasnije nazvana Voltaic Column (vidi sliku). Sastojao se od nekoliko desetina krugova od cinka i bakra, presavijenih u parove i razdvojenih tkaninom natopljenom kiselinom. Ovaj izum su kasnije koristili drugi naučnici u svojim istraživanjima. Na primjer, 1802. godine ruski akademik V. V. Petrov je konstruirao ogromnu bateriju od 2.100 ćelija koja je proizvodila napon od oko 2.500 volti i korištena za proizvodnju snažnog električnog luka koji je stvarao tako visoku temperaturu da je mogao rastopiti metale.

Postoje galvanski elementi drugih dizajna. Razmotrimo još jednu bakar-cink galvansku ćeliju, ali onu koja radi koristeći energiju hemijske reakcije između cinka i rastvora bakar sulfata (Jacobi-Daniel ćelija). Ovaj element se sastoji od bakarne ploče uronjene u rastvor bakar sulfata i cinkove ploče uronjene u rastvor cink sulfata (vidi sliku). Obje otopine su u kontaktu jedna s drugom, ali da bi se spriječilo miješanje razdvojene su membranskom pregradom od poroznog materijala.

Druga vrsta galvanskih ćelija su takozvane "suhe" mangan-cink Leclanche ćelije (vidi sliku). Umjesto tekućeg elektrolita, takva ćelija koristi pastu od amonijaka i škroba poput gela. Kako bi se osiguralo da vlaga što manje isparava, vrh takvog elementa je ispunjen voskom ili smolom s malom rupom za izlazak plinova. Tipično, Leclanche elementi se izrađuju u cilindričnim čašama, koje istovremeno služe i kao negativna elektroda i kao posuda.
Svi hemijski izvori struje (galvanske ćelije i baterije napravljene od njih) dijele se u dvije grupe - primarne (jednokratne) i sekundarne (za višekratnu upotrebu ili reverzibilne). U primarnim izvorima struje (obično rečeno - baterijama) hemijski procesi se odvijaju nepovratno, pa se njihovo punjenje ne može obnoviti. Sekundarni izvori hemijske struje uključuju baterije; njihovo punjenje se može obnoviti. Za baterije koje se široko koriste, ciklus punjenja-pražnjenja može se ponoviti oko 1000 puta.

Baterije imaju različite napone i kapacitete. Na primjer, tradicionalne alkalne baterije imaju nazivni napon od oko 1,5 V, a modernije litijumske baterije imaju nazivni napon od oko 3 V. Električni kapacitet zavisi od mnogih faktora: broja ćelija u bateriji, nivoa napunjenosti, temperature okoline, itd. struja isključenja (na kojoj uređaj ne radi ni sa raspoloživim punjenjem). Na primjer, baterija koja više ne radi u kameri često nastavlja raditi u satu ili daljinskom upravljaču.
Količina električne energije (punjenja) u baterijama se mjeri u amper-satima. Na primjer, ako je napunjenost baterije 1 amper-sat, a električni uređaj koji napaja zahtijeva struju od 200 mA, tada se vijek trajanja baterije izračunava na sljedeći način: 1 Ah / 0,2 A = 5 sati.
Tehnološki napredak povećao je raznolikost minijaturnih uređaja na baterije. Mnogi od njih su zahtijevali snažnije baterije, a bili su prilično kompaktni. Litijumske baterije su odgovor na ovu potrebu: dug vijek trajanja, visoka pouzdanost i odlične performanse u širokom temperaturnom rasponu. Danas su najnapredniji litijum-jonski izvori napajanja. Potencijal ove tehnologije još nije u potpunosti otkriven, ali su neposredni izgledi povezani s njima.

Posebnu vrijednost u tehnologiji imaju nikl-kadmijumske baterije koje je davne 1899. godine izumio švedski naučnik W. Jungner. Ali tek sredinom 20. stoljeća inženjeri su došli do gotovo modernog dizajna za takve zatvorene baterije. Zbog svoje kompaktnosti i autonomije, punjive baterije se koriste u automobilima, vozovima, kompjuterima, telefonima, fotoaparatima, video kamerama, kalkulatorima itd.
Glavne karakteristike baterije su kapacitet i maksimalna struja. Kapacitet baterije u amper satima jednak je proizvodu maksimalne struje i trajanja pražnjenja. Na primjer, ako baterija može proizvesti struju od 80 mA 10 sati, tada je kapacitet: 80 mA · 10 h = 800 mAh (ili, u međunarodnim oznakama, 800 mAh, vidi sliku).

Kuznjecova Alla Viktorovna (Samara)

Ministarstvo obrazovanja i nauke Ruske Federacije

Nacionalni istraživački nuklearni univerzitet "MEPhI"

Inženjersko-tehnološki institut Balakovo

GALVANSKE ĆELIJE

Smjernice

na kursu "hemija"

svim oblicima obrazovanja

Balakovo 2014

Svrha rada: proučiti princip rada galvanskih ćelija.

OSNOVNI KONCEPTI

ELEKTROHEMIJSKI PROCESI NA GRANICI FAZA

Atomski joni se nalaze na mjestima metalnih kristalnih rešetki. Kada se metal uroni u otopinu, počinje složena interakcija površinskih iona metala s polarnim molekulima otapala. Kao rezultat, metal se oksidira, a njegovi hidratizirani (solvatirani) ioni prelaze u otopinu, ostavljajući elektrone u metalu:

Me + mH 2 O Me(H 2 O) + ne -

Metal je naelektrisan negativno, a rastvor pozitivno. Elektrostatička privlačnost nastaje između onih koji su se pretvorili u tečnost hidratiziranim katjonima i metalnom površinom, a na granici metal-otopina formira se dvostruki električni sloj, karakteriziran određenom razlikom potencijala - potencijal elektrode.

Rice. 1 Električni dvostruki sloj na sučelju metal-otopina

Zajedno s ovom reakcijom javlja se i obrnuta reakcija - redukcija metalnih iona na atome.

ja (H2O) + ne
Me + m H 2 O -

Pri određenoj vrijednosti potencijala elektrode uspostavlja se ravnoteža:

Me + mH 2 O
ja (H2O) + ne -

Radi jednostavnosti, voda nije uključena u jednadžbu reakcije:

Meh
ja 2+ +ne -

Potencijal uspostavljen u uslovima ravnoteže elektrodne reakcije naziva se ravnotežni elektrodni potencijal.

GALVANSKE ĆELIJE

Galvanske ćelije– hemijski izvori električne energije. To su sistemi koji se sastoje od dvije elektrode (provodnici prve vrste) uronjene u otopine elektrolita (provodnici druge vrste).

Električna energija u galvanskim ćelijama dobiva se redoks procesom, pod uvjetom da se reakcija oksidacije odvija odvojeno na jednoj elektrodi, a reakcija redukcije na drugoj. Na primjer, kada se cink uroni u otopinu bakar sulfata, cink se oksidira, a bakar se reducira.

Zn + CuSO 4 = Cu + ZnSO 4

Zn 0 +Cu 2+ =Cu 0 +Zn 2+

Ovu reakciju je moguće izvesti tako da se procesi oksidacije i redukcije prostorno razdvoje; tada se prijelaz elektrona iz redukcijskog agensa u oksidacijski agens neće dogoditi direktno, već kroz električni krug. Na sl. Slika 2 prikazuje dijagram Daniel-Jacobijeve galvanske ćelije; elektrode su uronjene u rastvor soli i nalaze se u stanju električne ravnoteže sa rastvorima. Cink, kao aktivniji metal, šalje više iona u otopinu od bakra, zbog čega je cink elektroda, zbog elektrona koji ostaju na njoj, nabijena negativnije od bakrene. Otopine su razdvojene pregradom koja je propusna samo za jone u električnom polju. Ako su elektrode međusobno povezane vodičem (bakrenom žicom), tada će elektroni iz cinkove elektrode, gdje ih ima više, strujati kroz vanjski krug do bakrenog. Pojavljuje se kontinuirani tok elektrona - električna struja. Kao rezultat gubitka elektrona sa cinkove elektrode, Zn počinje prelaziti u otopinu u obliku iona, nadoknađujući gubitak elektrona i na taj način pokušavajući uspostaviti ravnotežu.

Elektroda na kojoj dolazi do oksidacije naziva se anoda. Elektroda na kojoj dolazi do redukcije naziva se katoda.

Anoda (-) Katoda (+)

Rice. 2. Dijagram galvanske ćelije

Kada bakar-cink element radi, dešavaju se sljedeći procesi:

1) anodno – proces oksidacije cinka Zn 0 – 2e→Zn 2+;

2) katodni – proces redukcije jona bakra Cu 2+ + 2e→Cu 0 ;

3) kretanje elektrona duž spoljašnjeg kola;

4) kretanje jona u rastvoru.

U lijevom staklu nedostaje SO 4 2- anjona, au desnom je višak. Zbog toga se u unutrašnjem kolu radne galvanske ćelije uočava kretanje jona SO 4 2- sa desnog stakla na lijevo kroz membranu.

Sumirajući reakcije elektroda, dobijamo:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

Reakcije se odvijaju na elektrodama:

Zn+SO 4 2- →Zn 2+ +SO 4 2- + 2e(anoda)

Cu 2+ + 2e + SO 4 2- → Cu + SO 4 2- (katoda)

Zn + CuSO 4 → Cu + ZnSO 4 (ukupna reakcija)

Dijagram galvanske ćelije: (-) Zn/ZnSO 4 | |CuSO 4 /Cu(+)

ili u ionskom obliku: (-) Zn/Zn 2+ | |Cu 2+ /Cu(+), pri čemu vertikalna linija označava granicu između metala i rastvora, a dve linije označavaju interfejs između dve tečne faze - porozne pregrade (ili spojne cevi ispunjene rastvorom elektrolita).

Maksimalni električni rad (W) pri pretvaranju jednog mola supstance:

W=nF E, (1)

gdje je ∆E emf galvanske ćelije;

F - Faradejev broj jednak 96500 C;

n je naboj metalnog jona.

Elektromotorna sila galvanske ćelije može se izračunati kao razlika potencijala između elektroda koje čine galvansku ćeliju:

EMF = E oksid. – E vraćanje = E k – E a,

gdje je EMF elektromotorna sila;

E oksid. – potencijal elektrode manje aktivnog metala;

E restauracija - potencijal elektrode aktivnijeg metala.

STANDARDNI POTENCIJALI ELEKTRODA METALA

Nemoguće je direktno odrediti apsolutne vrijednosti elektrodnih potencijala metala, ali se može odrediti razlika u elektrodnim potencijalima. Da biste to učinili, pronađite razliku potencijala između elektrode koja se mjeri i elektrode čiji je potencijal poznat. Najčešće se kao referentna elektroda koristi vodikova elektroda. Stoga se mjeri EMF galvanske ćelije sastavljene od ispitne i standardne vodikove elektrode, čiji se potencijal elektrode uzima jednak nuli. Krugovi galvanskih ćelija za mjerenje metalnog potencijala su sljedeći:

H 2, Pt|H + || Me n + |Me

Budući da je potencijal vodikove elektrode uvjetno jednak nuli, emf mjerenog elementa bit će jednak elektrodnom potencijalu metala.

Standardni elektrodni potencijal metala naziva se njegov elektrodni potencijal, koji nastaje kada je metal uronjen u otopinu vlastitog jona s koncentracijom (ili aktivnošću) od 1 mol/l, pod standardnim uvjetima, mjereno u poređenju sa standardnom vodikovom elektrodom, čiji potencijal na 25 0 C se konvencionalno pretpostavlja da je nula. Slaganjem metala u niz kako im se standardni elektrodni potencijali (E°) povećavaju, dobijamo takozvane naponske serije.

Što je negativniji potencijal Me/Me n+ sistema, to je metal aktivniji.

Potencijal elektrode metala uronjenog u otopinu vlastite soli na sobnoj temperaturi ovisi o koncentraciji istoimenih iona i određen je Nernstovom formulom:

, (2)

gdje je E 0 – normalni (standardni) potencijal, V;

R – univerzalna gasna konstanta jednaka 8,31 J (mol. K);

F – Faradejev broj;

T - apsolutna temperatura, K;

C je koncentracija metalnih jona u otopini, mol/l.

Zamjenom vrijednosti R, F, standardne temperature T = 298 0 K i faktora konverzije iz prirodnih logaritama (2.303) u decimalni, dobijamo formulu pogodnu za upotrebu:

(3)

KONCENTRACIONA GALVANSKE ĆELIJE

Galvanske ćelije mogu biti sastavljene od dvije elektrode potpuno iste prirode, uronjene u otopine istog elektrolita, ali različite koncentracije. Takvi elementi se nazivaju elementi koncentracije, na primjer:

(-)Ag | AgNO 3 || AgNO 3 | Ag(+)

U koncentracijskim krugovima za obje elektrode, vrijednosti n i E 0 su iste, stoga za izračunavanje EMF takvog elementa možete koristiti

, (4)

gdje je C 1 koncentracija elektrolita u razrijeđenijem rastvoru;

C 2 - koncentracija elektrolita u koncentrisanoj otopini

POLARIZACIJA ELEKTRODA

Potencijali ravnoteže elektrode mogu se odrediti u odsustvu struje u kolu. Polarizacija- promjena potencijala elektrode kada prođe električna struja.

E = E i - E p , (5)

gdje je E polarizacija;

E i je potencijal elektrode tokom prolaska električne struje;

E p - ravnotežni potencijal. Polarizacija može biti katodna E K (na katodi) i anodna E A (na anodi).

Polarizacija može biti: 1) elektrohemijska; 2) hemijski.

ZAHTJEVI ZAŠTITE NA RADU

1. Eksperimenti sa supstancama neprijatnog mirisa i toksičnim materijama moraju se izvoditi u dimovodu.

2. Prilikom prepoznavanja gasa koji se oslobađa po mirisu, mlaz treba usmjeriti pokretima ruke iz posude prema sebi.

3. Prilikom izvođenja eksperimenta, morate osigurati da reagensi ne dođu na vaše lice, odjeću ili osobu koja stoji pored vas.

4. Prilikom zagrijavanja tekućina, posebno kiselina i lužina, epruvetu držite s otvorom dalje od vas.

5. Prilikom razblaživanja sumporne kiseline kiselini ne treba dodavati vodu, već pažljivo, u malim porcijama, kiselinu sipati u hladnu vodu, mešajući rastvor.

6. Nakon završetka rada, dobro operite ruke.

7. Preporučljivo je sipati istrošene rastvore kiselina i lužina u posebno pripremljene posude.

8. Sve boce sa reagensima moraju biti zatvorene odgovarajućim čepovima.

9. Reagense preostale nakon rada ne treba izlijevati ili sipati u boce za reagens (da bi se izbjegla kontaminacija).

Radni nalog

Vježba 1

ISTRAŽIVANJE DJELATNOSTI METALA

Instrumenti i reagensi: cink, granulirani; bakar sulfat CuSO 4, 0,1 N rastvor; epruvete

Umočite komad granuliranog cinka u 0,1 N rastvor bakar sulfata. Ostavite ga da mirno stoji na stativu i gledajte šta se dešava. Napišite jednačinu za reakciju. Zaključite koji metal se može uzeti kao anoda, a koji kao katoda za sljedeći eksperiment.

Zadatak 2

GALVANSKE ĆELIJE

Instrumenti i reagensi: Zn, Cu – metali; cink sulfat, ZnSO 4, 1 M rastvor; bakar sulfat CuSO 4, 1 M rastvor; kalijum hlorid KCl, koncentrovani rastvor; galvanometar; naočale; Cev u obliku slova U, vata.

U jednu čašu sipajte do ¾ zapremine 1 M rastvora soli metala, koja je anoda, i istu zapreminu rastvora soli metala od 1 M, koja je katoda, u drugu čašu. Napunite cijev u obliku slova U koncentrovanom otopinom KCl. Pokrijte krajeve cijevi debelim komadima vate i spustite ih u obje čaše tako da budu uronjene u pripremljene otopine. Stavite metalnu anodnu ploču u jednu čašu, a metalnu katodnu ploču u drugu; montirati galvansku ćeliju sa galvanometrom. Zatvorite strujni krug i označite smjer struje pomoću galvanometra.

Nacrtajte dijagram galvanske ćelije.

Napišite elektronske jednadžbe za reakcije koje se odvijaju na anodi i katodi ove galvanske ćelije. Izračunajte EMF.

Zadatak 3

ODREĐIVANJE ANODE IZ ODREĐENOG SETA PLOČA

Instrumenti i reagensi: Zn, Cu, Fe, Al – metali; cink sulfat, ZnSO 4, 1 M rastvor; bakar sulfat CuSO 4, 1 M rastvor; aluminijum sulfat Al 2 (SO 4) 3 1 M rastvor; gvožđe sulfat FeSO 4, 1 M rastvor; kalijum hlorid KCl, koncentrovani rastvor; naočale; Cev u obliku slova U, vata.

Napravite galvanske parove:

Zn/ZnSO 4 ||FeSO 4 /Fe

Zn/ZnSO 4 || CuSO4/Cu

Al/Al 2 (SO 4) 3 || ZnSO4/Zn

Od naznačenog skupa ploča i rastvora soli ovih metala sastaviti galvansku ćeliju u kojoj bi cink bio katoda (zadatak 2).

Napišite elektronske jednadžbe za reakcije koje se dešavaju na anodi i katodi sklopljene galvanske ćelije.

Napišite redoks reakciju koja je u osnovi rada ove galvanske ćelije. Izračunajte EMF.

FORMULACIJA IZVJEŠTAJA

Laboratorijski dnevnik se popunjava tokom laboratorijske nastave po završetku rada i sadrži:

datum završetka radova;

naziv laboratorijskog rada i njegov broj;

naziv eksperimenta i svrha njegove provedbe;

zapažanja, jednačine reakcija, dijagram uređaja;

test pitanja i zadaci na temu.

KONTROLNI ZADACI

1. Koje od sljedećih reakcija su moguće? Napišite jednadžbe reakcije u molekularnom obliku i kreirajte elektronske jednadžbe za njih:

Zn(NO 3) 2 + Cu →

Zn(NO 3) 2 + Mg →

2. Nacrtajte dijagrame galvanskih ćelija za određivanje normalnih elektrodnih potencijala Al/Al 3+, Cu/Cu 2+ uparene sa normalnom vodoničnom elektrodom.

3. Izračunajte emf galvanske ćelije

Zn/ZnSO 4 (1M)| |CuSO 4 (2M)

Koji se hemijski procesi dešavaju tokom rada ovog elementa?

4. Hemijski čisti cink gotovo ne reaguje sa hlorovodoničnom kiselinom. Kada se kiselini doda olovni nitrat, dolazi do djelomične evolucije vodika. Objasnite ove pojave. Zapišite jednadžbe za reakcije koje se javljaju.

5. Bakar je u kontaktu sa niklom i uronjen u razrijeđenu otopinu sumporne kiseline, koji se proces odvija na anodi?

6. Nacrtajte dijagram galvanske ćelije, koji se zasniva na reakciji koja se odvija prema jednačini: Ni+Pb(NO 3) 2 =Ni(NO 3) 2 +Pb

7. Manganova elektroda u rastvoru njene soli ima potencijal od 1,2313 V. Izračunajte koncentraciju jona Mn 2+ u mol/l.

Vrijeme predviđeno za laboratorijski rad

Književnost

Main

1. Glinka. NA. Opšta hemija: udžbenik. priručnik za univerzitete. – M.: Integral – Press, 2005. – 728 str.

2. Korzhukov N. G. Opća i neorganska hemija. – M.: MISIS;

INFRA-M, 2004. – 512 str.

Dodatno

3. Frolov V.V. Hemija: udžbenik. dodatak za fakultete. – M.: Više. škola, 2002. –

4. Korovin N.V. Opća hemija: udžbenik za tehniku. smjer i posebne univerziteti – M.: Više. škola, 2002.–559 str.: ilustr.

4. Akhmatov N.S. Opća i neorganska hemija: udžbenik za univerzitete. - 4. izd., ispravljeno - M.: Viša. škola, 2002. –743 str.

5. Glinka N.A. Zadaci i vježbe iz opšte hemije. – M.: Integral –Press, 2001. – 240 str.

6. Metelsky A.V. Hemija u pitanjima i odgovorima: priručnik. – Mn.: Bel.En., 2003. – 544 str.

galvanske ćelije

Smjernice

za obavljanje laboratorijskih radova

na kursu "hemija"

za studente tehničkih smerova i specijalnosti,

"Opća i neorganska hemija"

za studente smera "Hemijska tehnologija"

svim oblicima obrazovanja

Sastavila: Sinitsyna Irina Nikolaevna

Timoshina Nina Mikhailovna

Danas su galvanske ćelije jedna od najčešćih hemijskih ćelija.Uprkos svojim nedostacima, aktivno se koriste u elektrotehnici i stalno se usavršavaju.

Princip rada

Najjednostavniji primjer kako funkcionira galvanska ćelija izgleda ovako. Dvije ploče su uronjene u staklenu posudu s vodenim rastvorom sumporne kiseline: jedna je bakar, druga cink. Oni postaju pozitivni i negativni pol elementa. Ako se ovi polovi spoje provodnikom, dobija se najjednostavnije.Unutar elementa struja će teći od cinkove ploče koja ima negativan naboj do bakarne ploče koja je pozitivno nabijena. U vanjskom kolu, kretanje nabijenih čestica odvijat će se u suprotnom smjeru.

Pod utjecajem struje, vodikovi ioni i kiseli ostatak sumporne kiseline kretat će se u različitim smjerovima. Vodik će dati svoje naboje bakrenoj ploči, a kiselinski ostatak će dati svoje naboje ploči cinka. Ovo će održati napon na terminalima elementa. Istovremeno, mjehurići vodonika će se taložiti na površini bakarne ploče, što će oslabiti djelovanje galvanske ćelije. Vodik stvara dodatni napon zajedno s metalom ploče, što se naziva elektromotorna sila polarizacije. Smjer naelektrisanja ovog EMF-a je suprotan smjeru naelektrisanja EMF-a galvanske ćelije. Sami mjehurići stvaraju dodatni otpor u elementu.

Element koji smo pogledali je klasičan primjer. U stvarnosti se takvi galvanski elementi jednostavno ne koriste zbog visoke polarizacije. Kako se to ne bi dogodilo, prilikom proizvodnje elemenata u njihov sastav se uvodi posebna tvar koja apsorbira atome vodika, a koja se naziva depolarizator. U pravilu se radi o preparatima koji sadrže kisik ili klor.

Prednosti i mane modernih galvanskih ćelija

Moderne galvanske ćelije izrađuju se od različitih materijala. Najčešći i poznati tip su ćelije ugljenik-cink koje se koriste u AA baterijama. Njihove prednosti uključuju relativnu jeftinoću, dok su njihovi nedostaci kratak rok trajanja i mala snaga.

Pogodnija opcija su alkalne galvanske ćelije. Nazivaju se i mangan-cink. Ovdje elektrolit nije suha tvar kao što je ugalj, već alkalna otopina. Kada se isprazne, takvi elementi praktički ne emituju plin, pa se mogu napraviti hermetički zatvoreni. Rok trajanja takvih elemenata je duži nego kod ugljenik-cink elemenata.

Živi elementi su po dizajnu slični alkalnim elementima. Ovdje se koristi živin oksid. Takvi izvori struje koriste se, na primjer, za medicinsku opremu. Njihove prednosti su otpornost na visoke temperature (do +50, au nekim modelima i do +70 ˚S), stabilan napon, visoka mehanička čvrstoća. Nedostatak su toksična svojstva žive, zbog kojih se istrošenim elementima mora vrlo pažljivo rukovati i slati na reciklažu.

U nekim ćelijama srebrni oksid se koristi za izradu katoda, ali zbog visoke cijene metala njihova upotreba nije ekonomski isplativa. Ćelije sa litijumskim anodama su češće. Oni su također skupi, ali imaju najveći napon među svim vrstama razmatranih galvanskih ćelija.

Druga vrsta galvanskih ćelija su koncentracijske galvanske ćelije. U njima se proces kretanja čestica može odvijati sa ili bez prijenosa jona. Prvi tip je element u koji su dvije identične elektrode uronjene u različitim koncentracijama, razdvojene polupropusnom pregradom. U takvim elementima EMF nastaje zbog činjenice da se ioni prenose u otopinu s nižom koncentracijom. U elementima drugog tipa elektrode su izrađene od različitih metala, a koncentracija je izjednačena zbog hemijskih procesa koji se dešavaju na svakoj od elektroda. ovi elementi su viši od onih prvog tipa.