BATERÍAS GALVÁNICAS: grupos de celdas galvánicas conectadas eléctricamente entre sí que generan electricidad debido a productos químicos. Reacciones que ocurren entre los materiales activos de los electrodos. Las baterías galvánicas suelen utilizar celdas galvánicas, en las que el electrodo positivo está hecho de una mezcla de dióxido de manganeso y grafito, y el electrodo negativo está hecho de zinc. Como electrolito se suele utilizar una solución de cloruro de amonio (amoníaco) y otras sales de cloruro. Estos elementos se denominan manganeso-zinc.

Arroz. 1. Pila seca tipo copa: 1 - electrodo negativo (zinc), 2 - caja de cartón, 3 - cables de corriente, 4 - tapa, 5 - electrodo positivo, 6 - capa de electrolito (pasta), 7 - resina, 8 - cartón arandela, 9 - junta aislante, 10 - tubo de vidrio (salida de gas)

A veces, además de dióxido de manganeso y grafito, al electrodo positivo se le añade carbón activado, que absorbe oxígeno de la atmósfera circundante, lo que permite su uso en aplicaciones químicas. reacciones. Estos elementos se denominan manganeso-aire-zinc. Tienen mayor capacidad y menor costo. Para fines especiales, se utilizan elementos a granel de carbón-zinc y hierro-carbono, que tienen una alta constante de voltaje. Debido al inconveniente de utilizar celdas a granel con electrolito líquido, este último se convierte en un estado viscoso con la ayuda de harina, almidón, cartón u otros rellenos, por lo que pierde su fluidez y no sale de la celda en ningún momento. posición. Estos elementos se llaman secos.

Hay dos tipos principales de elementos secos: taza y galleta. El elemento de copa (Fig. 1) tiene un electrodo negativo (polo de zinc) hecho en forma de copa rectangular cilíndrica, sin costuras o con una costura longitudinal (soldada, laminada). El electrodo positivo es un cilindro o prisma presionado sobre una varilla de carbono que sirve como conductor de corriente. El electrodo positivo se coloca dentro del negativo y el espacio entre ellos se llena con electrolito condensado. En un elemento de galleta (Fig. 2), los electrodos tienen forma de placas, que están separadas por un diafragma de cartón impregnado de electrolito. Todas las piezas se sujetan con una llanta (anillo) elástica de cloruro de vinilo. El conductor de corriente es una capa de masa eléctricamente conductora, impermeable al electrolito, aplicada en el lado exterior del electrodo de zinc. Los elementos de manganeso, aire y zinc se fabrican únicamente en forma de copa.

Arroz. 2. Pila seca del tipo galletas: 1 - electrodo negativo (zinc) con una capa conductora de electricidad, 2 - electrodo positivo, 3 - diafragmas de cartón impregnados con electrolito, 4 - papel de regalo para el electrodo positivo, 5 - anillo de cloruro de vinilo

Los principales indicadores de un elemento son su fuerza electromotriz (fem) y su voltaje, cuyo valor se mide con un voltímetro (ver), en el primer caso, en ausencia de resistencia de carga, en el segundo, cuando se conecta una resistencia de carga. especificado por la norma. F.E.M. Los elementos de manganeso y zinc oscilan entre 1,5 y 1,8 V, p. d.s. Los elementos de manganeso-aire-zinc son de 1,4 V. El valor de voltaje del elemento es siempre inferior a e. d.s., la diferencia entre ellos aumenta al disminuir la resistencia de carga. Los parámetros más importantes de las baterías galvánicas son también la cantidad de electricidad que suministran y la capacidad de almacenarla durante mucho tiempo (seguridad). La cantidad de energía liberada se mide por la duración de funcionamiento del elemento en horas o por su capacidad eléctrica en una hora. Dado que el voltaje del elemento cae durante la descarga, en tecnología. La documentación siempre especifica un límite de voltaje inferior (voltaje final), que determina el límite inferior de su rendimiento. A un voltaje final dado, la capacitancia eléctrica del elemento y, por lo tanto, la duración de su funcionamiento, también depende de la temperatura y el valor de la resistencia de carga (ver Tabla 1), así como de la frecuencia de descarga.

La capacidad de las baterías galvánicas aumenta al aumentar la resistencia de carga y la temperatura. La temperatura más baja a la que pueden funcionar los elementos: para manganeso-zinc -20°, para manganeso-aire-zinc -5°. La frecuencia de descarga se caracteriza por la alternancia y duración de los períodos de descarga y descanso del elemento. Como regla general, las celdas de manganeso - zinc con descarga intermitente emiten una mayor capacidad que con una descarga continua, y las celdas de manganeso - aire - zinc, por el contrario, dan menos.

La seguridad de las baterías (pilas) galvánicas es el período desde el momento de la fabricación hasta el inicio de la operación, durante el cual el producto conserva su funcionalidad. La cantidad de capacidad restante (o tiempo de funcionamiento) está especificada por la norma y suele ser entre el 60 y el 75 % del original.

La vida útil indicada en la etiqueta es mínima y casi siempre las baterías son galvánicas y las celdas se pueden utilizar durante algún tiempo. Su idoneidad en este caso está determinada por el voltaje.

La conexión de elementos en baterías galvánicas puede ser en serie, en paralelo y mixta. En una conexión en serie, el polo positivo de un elemento se conecta al polo negativo del siguiente elemento, etc. (Fig. 3).

Arroz. 3. Diagrama de conexión en serie de elementos.

Arroz. 4. Diagrama de conexión en paralelo de elementos de batería.

Arroz. 5. Conexión mixta de celdas de batería.

Esta conexión de elementos se utiliza para crear un mayor voltaje de la batería galvánica, que en este caso es directamente proporcional al número de elementos conectados en serie. La capacidad de la batería galvánica no cambia y es igual a la capacidad del elemento individual. Una conexión en paralelo se realiza conectando entre sí, por un lado, todos los polos positivos de los elementos y, por otro, los negativos (Fig. 4). Al mismo tiempo, la capacidad de la batería galvánica aumenta y su voltaje permanece igual al voltaje del elemento individual. Para una conexión mixta, se utilizan ambos métodos anteriores: se ensamblan varios grupos idénticos con una conexión en serie de elementos que están conectados entre sí en paralelo (Fig. 5). Al mismo tiempo, tanto el voltaje como la capacitancia aumentan en consecuencia.

Según su finalidad, las baterías galvánicas se dividen en ánodo, de rejilla, incandescentes y de linterna.

Baterías de ánodo galvánico (Fig. 6) están destinados a alimentar los circuitos anódicos de los receptores de radio.

Arroz. 6. Batería BS-G-70

Su voltaje es relativamente alto, de 60 a 120 V. Se utilizan para corrientes bajas, de 3 a 12 mA. Por lo general, estas baterías galvánicas tienen cables de corriente adicionales en forma de un enchufe en el panel o cables blandos, que le permiten usar parte de la batería galvánica primero y conectar el resto a medida que cae el voltaje. Este modo se denomina descarga seccional y permite, dentro de ciertos límites, aumentar la vida útil de una batería galvánica.

Baterías de red galvánico están destinados a crear un voltaje de polarización en las rejillas de los tubos de radio.

Arroz. 7. Batería BSG-60-S-8

Utilizan una conexión en serie. Voltaje de 4,5 a 12,0 V. El consumo de corriente no supera los 3 mA. Se montan en la misma caja que las baterías de ánodo galvánico (Fig. 7) y están formados por elementos idénticos a ellas.

Baterías de filamento galvánico (Fig. 8) están diseñados para alimentar los filamentos de los tubos de radio.

Arroz. 8. Batería BNS-MVD-500

Para las radios de batería estacionarias (Rodina, Iskra, etc.), las baterías de filamento galvánico, para crear una mayor capacidad, se componen de cuatro elementos de manganeso, aire y zinc de gran tamaño conectados en paralelo. Su voltaje es igual al voltaje de un elemento y el consumo de corriente es de 0,3 a 0,5 A. En las baterías de filamento de las radios de baterías portátiles galvánicas se utilizan conexiones paralelas y mixtas de pequeños elementos. Para la radio de batería Tula, la industria produce un kit de alimentación en un estuche especial, que consta de un ánodo y una batería galvánica incandescente (Fig. 9).

Arroz. 9. Kit - fuente de alimentación para la radio "Tula"

Baterías para linternas galvánicas Diseñado para alimentar bombillas de linterna. Se caracterizan por un alto consumo de corriente (de 150 a 280 A) a baja tensión (3,0-4,5 V) y pequeñas dimensiones. Las más utilizadas son las baterías galvánicas del tipo KBS-L-0.50 (Fig. 10), que constan de tres elementos conectados en serie. Para linternas redondas e instrumentos de medición (óhmetros, avómetros, etc.), la industria produce elementos cilíndricos del tipo FBS, cuya conexión en serie, si es necesario, se realiza directamente cuando se insertan en el cuerpo de la linterna (dispositivo ).

Arroz. 10. Batería para linterna KBS-L-0.50

Las leyendas de elementos suelen tener cuatro partes. El número inicial indica las dimensiones (en mm): No. 2 - 40x40x100, No. 3-55x55x130, No. 6 - 80x80x175; letras - C - seco, L - verano, X - resistente al frío; los siguientes números indican la capacidad del elemento. Entonces, 3S-L-30 significa: elemento número 3, seco, de verano, con una capacidad de 30 por hora. El nombre de las baterías galvánicas, que comienzan con designaciones de letras, consta de 4-5 partes, que tienen los siguientes significados: B - batería, A - ánodo, N - incandescente, C - seca, G - galletas, F - linterna, K - bolsillo . El número después de las letras para las baterías de ánodo galvánico muestra el voltaje, para las baterías incandescentes, la capacidad. Sin embargo, a veces, en la designación de baterías de ánodo galvánico, se omite la letra A y al final de la designación se agrega un segundo indicador numérico: la capacidad de la batería galvánica. Los nombres de las baterías galvánicas que comienzan con números tienen los siguientes significados: el número inicial indica el voltaje, el número final indica la capacidad, las letras: MC - sistema zinc-manganeso, B - indica el uso de oxígeno atmosférico, H - incandescente, A - ánodo, T - teléfono, C - para audífonos, P - panel. Las baterías galvánicas destinadas a alimentar radios también reciben nombres comerciales. Las baterías galvánicas se marcan mediante la colocación de una etiqueta que indica: el nombre o marca comercial del fabricante, símbolo de la batería voltaica, tensión nominal, capacidad inicial, período de garantía de almacenamiento y capacidad al final del período de almacenamiento.

La idoneidad de las baterías y celdas galvánicas se determina mediante inspección externa y medición de la tensión en los conductores de bajada. Durante la inspección conviene asegurarse de que las bajantes estén intactas y que no existan defectos externos: roturas, destrucción de la resina de fundición (masilla), daños y humedad de la carcasa. El voltaje se verifica con un voltímetro; no debe ser inferior a los valores indicados en la tabla. 2. Las baterías galvánicas se embalan en cajas de madera con un peso bruto de 65 a 80 kg, forradas por dentro con papel resistente a la humedad y separadas de sus paredes con una capa de virutas secas u otro material de embalaje. Las baterías galvánicas deben almacenarse en un lugar seco y fresco. La alta humedad en la sala de almacenamiento, así como las altas temperaturas, reducen drásticamente su vida útil. Las bajas temperaturas no son peligrosas para las baterías galvánicas: después del calentamiento, recuperan completamente sus propiedades. Las baterías galvánicas son fabricadas por las empresas Glavakkumulyatorproma del Ministerio de Ingeniería Eléctrica de la URSS.

Iluminado: Sochevanov V.G., Elementos galvánicos, M., 1951; Morózov GG. y Gantmav S.A., Fuentes químicas de corriente para alimentar equipos de comunicaciones, M., 1949; Catálogo consolidado de fuentes de corriente química, M., 1950.

Célula galvánica

Diagrama de una celda galvánica de Daniel-Jacobi.

Célula galvánica- basado en la interacción de dos metales y (o) sus óxidos en un electrolito, lo que conduce a la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Lleva el nombre de Luigi Galvani.

El fenómeno de la aparición de corriente eléctrica cuando entran en contacto diferentes metales fue descubierto por el fisiólogo italiano, profesor de medicina en la Universidad de Bolonia, Luigi Galvani, en 1786. Galvani describió la contracción de los músculos de las patas traseras de una rana recién disecada, sujeta a ganchos de cobre, cuando se tocaba con un bisturí de acero. El descubridor interpretó las observaciones como una manifestación de "electricidad animal".

Generadores electroquímicos (pilas de combustible)- Son elementos en los que se produce la conversión de energía química en energía eléctrica. El agente oxidante y el agente reductor se almacenan fuera de la celda y se suministran de forma continua y por separado a los electrodos durante el funcionamiento. Durante el funcionamiento de la pila de combustible, los electrodos no se consumen. El agente reductor es hidrógeno (H 2), metanol (CH 3 OH), metano (CH 4) en estado líquido o gaseoso. El agente oxidante suele ser oxígeno del aire u oxígeno puro. En una pila de combustible de oxígeno-hidrógeno con electrolito alcalino, la energía química se convierte en energía eléctrica. En las naves espaciales se utilizan plantas de energía que proporcionan energía a las naves espaciales y a los astronautas.

Solicitud

• Baterías utilizado en sistemas de alarma, linternas, relojes, calculadoras, sistemas de audio, juguetes, radios, equipos de automóviles, controles remotos.
• Baterías Se utilizan para arrancar motores de automóviles y también pueden utilizarse como fuentes temporales de electricidad en lugares alejados de las zonas pobladas.
• Celdas de combustible utilizado en la producción de energía eléctrica (en centrales eléctricas), fuentes de energía de emergencia, suministro de energía autónomo, transporte, suministro de energía a bordo, dispositivos móviles.

ver también

Literatura

• Akhmetov N.S. Química general e inorgánica.
• Aksenovich L. A. Física en la escuela secundaria: Teoría. Tareas.

Enlaces

Una celda galvánica es una fuente química de corriente eléctrica basada en la interacción de dos metales y/o sus óxidos en un electrolito, que lleva el nombre del científico italiano Luigi Galvani.

Más tarde, el científico ensambló una batería a partir de celdas de cobre y zinc, que más tarde se llamó Columna Voltaica (ver figura). Consistía en varias docenas de círculos de zinc y cobre, doblados de dos en dos y separados por un paño empapado en ácido. Este invento fue utilizado posteriormente por otros científicos en sus investigaciones. Por ejemplo, en 1802, el académico ruso V.V. Petrov construyó una batería gigante de 2.100 celdas que producía un voltaje de aproximadamente 2.500 voltios y se utilizaba para producir un potente arco eléctrico que creaba una temperatura tan alta que podía derretir metales.

Hay elementos galvánicos de otros diseños. Consideremos otra celda galvánica de cobre-zinc, pero que funciona utilizando la energía de una reacción química entre el zinc y una solución de sulfato de cobre (celda Jacobi-Daniel). Este elemento consta de una placa de cobre sumergida en una solución de sulfato de cobre y una placa de zinc sumergida en una solución de sulfato de zinc (ver figura). Ambas soluciones están en contacto entre sí, pero para evitar que se mezclen están separadas por una membrana de material poroso.

Otro tipo de celdas galvánicas son las denominadas celdas Leclanche de manganeso-zinc “secas” (ver figura). En lugar de un electrolito líquido, dicha celda utiliza una pasta similar a un gel de amoníaco y almidón. Para que la humedad se evapore lo menos posible, la parte superior de dicho elemento se llena con cera o resina con un pequeño orificio para que escapen los gases. Normalmente, los elementos Leclanche se fabrican en copas cilíndricas, que sirven simultáneamente como electrodo negativo y recipiente.
Todas las fuentes de corriente química (pilas galvánicas y baterías fabricadas a partir de ellas) se dividen en dos grupos: primarias (desechables) y secundarias (reutilizables o reversibles). En las fuentes de corriente primarias (en el lenguaje común, baterías), los procesos químicos ocurren de manera irreversible, por lo que su carga no se puede restaurar. Las fuentes de corriente química secundaria incluyen baterías; su carga se puede restaurar. Para baterías de uso generalizado, el ciclo de carga-descarga se puede repetir unas 1000 veces.

Las baterías tienen diferentes voltajes y capacidades. Por ejemplo, las pilas alcalinas tradicionales tienen un voltaje nominal de aproximadamente 1,5 V y las baterías de litio más modernas tienen un voltaje nominal de aproximadamente 3 V. La capacidad eléctrica depende de muchos factores: el número de celdas de la batería, el nivel de carga, la temperatura ambiente, corriente de corte (en la que el dispositivo no funciona incluso con carga disponible). Por ejemplo, una batería que ya no funciona en una cámara a menudo sigue funcionando en un reloj o en un control remoto.
La cantidad de electricidad (carga) de las baterías se mide en amperios-hora. Por ejemplo, si la carga de la batería es de 1 amperio-hora y el dispositivo eléctrico que alimenta requiere una corriente de 200 mA, entonces la duración de la batería se calcula de la siguiente manera: 1 Ah / 0,2 A = 5 horas.
Los avances tecnológicos han aumentado la variedad de dispositivos en miniatura que funcionan con baterías. Muchos de ellos requerían baterías más potentes y, al mismo tiempo, bastante compactos. Las baterías de litio son la respuesta a esta necesidad: larga vida útil, alta confiabilidad y excelente rendimiento en un amplio rango de temperaturas. Hoy en día, las más avanzadas son las fuentes de energía de iones de litio. El potencial de esta tecnología aún no se ha revelado plenamente, pero las perspectivas inmediatas están relacionadas con él.

De particular valor en tecnología son las baterías de níquel-cadmio, inventadas en 1899 por el científico sueco W. Jungner. Pero no fue hasta mediados del siglo XX que los ingenieros llegaron a un diseño casi moderno para este tipo de baterías selladas. Por su tamaño compacto y autonomía, las baterías recargables se utilizan en automóviles, trenes, ordenadores, teléfonos, cámaras fotográficas, videocámaras, calculadoras, etc.
Las principales características de la batería son la capacidad y la corriente máxima. La capacidad de la batería en amperios hora es igual al producto de la corriente máxima por la duración de la descarga. Por ejemplo, si una batería puede producir una corriente de 80 mA durante 10 horas, entonces la capacidad es: 80 mA · 10 h = 800 mAh (o, en designaciones internacionales, 800 mAh, ver figura).

Kuznetsova Alla Viktorovna (Samara)

Ministerio de Educación y Ciencia de la Federación de Rusia

Universidad Nacional de Investigación Nuclear "MEPhI"

Instituto de Ingeniería y Tecnología de Balakovo

CÉLULAS GALVÁNICAS

Pautas

en el curso "Química"

todas las formas de educación

Balakovo 2014

Objeto del trabajo: estudiar el principio de funcionamiento de las celdas galvánicas.

CONCEPTOS BÁSICOS

PROCESOS ELECTROQUÍMICOS EN EL LÍMITE DE FASE

Los iones atómicos se encuentran en los sitios de las redes cristalinas metálicas. Cuando un metal se sumerge en una solución, comienza una interacción compleja de iones metálicos superficiales con moléculas de disolvente polar. Como resultado, el metal se oxida y sus iones hidratados (solvatados) se disuelven, dejando electrones en el metal:

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

El metal se carga negativamente y la solución se carga positivamente. La atracción electrostática surge entre quienes se han convertido en líquido por cationes hidratados y la superficie del metal y en la interfaz metal-solución se forma una doble capa eléctrica, caracterizada por una cierta diferencia de potencial: potencial de electrodo.

Arroz. 1 Doble capa eléctrica en la interfaz metal-solución

Junto con esta reacción, se produce una reacción inversa: la reducción de iones metálicos a átomos.

Yo (H2O) +ne
Yo + m H 2 O -

A un cierto valor del potencial del electrodo, se establece el equilibrio:

Yo + mH 2 O
Yo (H2O) + ne -

Por simplicidad, el agua no se incluye en la ecuación de reacción:

Bueno
Yo 2+ +ne -

El potencial establecido en condiciones de equilibrio de la reacción del electrodo se denomina potencial del electrodo de equilibrio.

CÉLULAS GALVÁNICAS

Celdas galvánicas– fuentes químicas de energía eléctrica. Son sistemas formados por dos electrodos (conductores del primer tipo) sumergidos en soluciones de electrolitos (conductores del segundo tipo).

La energía eléctrica en las celdas galvánicas se obtiene mediante el proceso redox, siempre que la reacción de oxidación se realice por separado en un electrodo y la reacción de reducción en el otro. Por ejemplo, cuando el zinc se sumerge en una solución de sulfato de cobre, el zinc se oxida y el cobre se reduce.

Zn + CuSO 4 = Cu + ZnSO 4

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

Es posible realizar esta reacción de manera que los procesos de oxidación y reducción estén separados espacialmente; entonces la transición de electrones del agente reductor al oxidante no se producirá directamente, sino a través de un circuito eléctrico. En la Fig. La Figura 2 muestra un diagrama de una celda galvánica Daniel-Jacobi, los electrodos están sumergidos en soluciones salinas y se encuentran en estado de equilibrio eléctrico con las soluciones. El zinc, como metal más activo, envía más iones a la solución que el cobre, por lo que el electrodo de zinc, debido a los electrones que quedan en él, se carga más negativamente que el de cobre. Las soluciones están separadas por una partición que es permeable sólo a los iones en un campo eléctrico. Si los electrodos están conectados entre sí con un conductor (alambre de cobre), los electrones del electrodo de zinc, donde hay más, fluirán a través del circuito externo hacia el de cobre. Aparece un flujo continuo de electrones: una corriente eléctrica. Como resultado de la pérdida de electrones del electrodo de zinc, el Zn comienza a pasar a la solución en forma de iones, reponiendo la pérdida de electrones y tratando así de restablecer el equilibrio.

El electrodo en el que se produce la oxidación se llama ánodo. El electrodo en el que se produce la reducción se llama cátodo.

Ánodo (-) Cátodo (+)

Arroz. 2. Diagrama de una celda galvánica.

Cuando funciona un elemento de cobre-zinc, ocurren los siguientes procesos:

1) anódico – proceso de oxidación del zinc Zn 0 – 2e→Zn 2+;

2) catódico – el proceso de reducción de iones de cobre Cu 2+ + 2e→Cu 0 ;

3) movimiento de electrones a lo largo del circuito externo;

4) movimiento de iones en solución.

En el vaso de la izquierda faltan aniones SO 4 2- y en el de la derecha hay un exceso. Por lo tanto, en el circuito interno de una celda galvánica en funcionamiento, se observa el movimiento de iones SO 4 2- desde el vidrio derecho hacia la izquierda a través de la membrana.

Resumiendo las reacciones de los electrodos, obtenemos:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

En los electrodos tienen lugar reacciones:

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

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

Zn + CuSO 4 → Cu + ZnSO 4 (reacción total)

Diagrama de celda galvánica: (-) Zn/ZnSO 4 | |CuSO 4 /Cu(+)

o en forma iónica: (-) Zn/Zn 2+ | |Cu 2+ /Cu(+), donde una línea vertical indica la interfaz entre el metal y la solución, y dos líneas indican la interfaz entre dos fases líquidas: una partición porosa (o un tubo de conexión lleno de una solución electrolítica).

Trabajo eléctrico máximo (W) al convertir un mol de una sustancia:

W=nF mi, (1)

donde ∆E es la fem de la celda galvánica;

F - Número de Faraday igual a 96500 C;

n es la carga del ion metálico.

La fuerza electromotriz de una celda galvánica se puede calcular como la diferencia de potencial entre los electrodos que componen la celda galvánica:

EMF = E óxido. – E restaurar = E k – E a,

donde EMF es la fuerza electromotriz;

E óxido. – potencial del electrodo del metal menos activo;

E restaurar - potencial de electrodo del metal más activo.

POTENCIALES DE ELECTRODOS ESTÁNDAR DE METALES

Es imposible determinar directamente los valores absolutos de los potenciales de los electrodos de los metales, pero se puede determinar la diferencia de potenciales de los electrodos. Para hacer esto, encuentre la diferencia de potencial entre el electrodo que se está midiendo y el electrodo cuyo potencial se conoce. Muy a menudo, se utiliza un electrodo de hidrógeno como electrodo de referencia. Por lo tanto, se mide la FEM de una celda galvánica compuesta por el electrodo de prueba y el estándar de hidrógeno, cuyo potencial de electrodo se considera igual a cero. Los circuitos de celdas galvánicas para medir el potencial metálico son los siguientes:

H 2, Pt|H + || Yo n + |Yo

Dado que el potencial del electrodo de hidrógeno es condicionalmente igual a cero, la fem del elemento medido será igual al potencial del electrodo del metal.

Potencial de electrodo estándar del metal. Se llama potencial de electrodo, que se produce cuando un metal se sumerge en una solución de su propio ion con una concentración (o actividad) de 1 mol/l, en condiciones estándar, medida en comparación con un electrodo de hidrógeno estándar, cuyo potencial a 25 0 C se supone convencionalmente que es cero. Al disponer los metales en una fila a medida que aumentan sus potenciales de electrodo estándar (E°), obtenemos las llamadas series de voltaje.

Cuanto más negativo sea el potencial del sistema Me/Me n+, más activo será el metal.

El potencial del electrodo de un metal sumergido en una solución de su propia sal a temperatura ambiente depende de la concentración de iones del mismo nombre y está determinado por la fórmula de Nernst:

, (2)

donde E 0 – potencial normal (estándar), V;

R – constante universal de los gases igual a 8,31 J (mol. K);

F – número de Faraday;

T - temperatura absoluta, K;

C es la concentración de iones metálicos en solución, mol/l.

Sustituyendo los valores de R, F, temperatura estándar T = 298 0 K y el factor de conversión de logaritmos naturales (2.303) a decimal, obtenemos una fórmula conveniente de usar:

(3)

CÉLULAS GALVÁNICAS DE CONCENTRACIÓN

Las celdas galvánicas pueden estar compuestas por dos electrodos exactamente de la misma naturaleza, sumergidos en soluciones del mismo electrolito, pero de diferentes concentraciones. Estos elementos se denominan elementos de concentración, por ejemplo:

(-)Ag | AgNO3 || AgNO3 | Ag(+)

En los circuitos de concentración para ambos electrodos, los valores de n y E 0 son los mismos, por lo tanto, para calcular la EMF de dicho elemento, puede utilizar

, (4)

donde C 1 es la concentración de electrolito en una solución más diluida;

C 2 - concentración de electrolitos en una solución más concentrada

POLARIZACIÓN DE ELECTRODOS

Los potenciales de los electrodos de equilibrio se pueden determinar en ausencia de corriente en el circuito. Polarización- Cambio en el potencial del electrodo cuando pasa una corriente eléctrica.

mi = mi yo - mi p , (5)

donde E es polarización;

E i es el potencial del electrodo durante el paso de la corriente eléctrica;

E p - potencial de equilibrio. La polarización puede ser catódica E K (en el cátodo) y anódica E A (en el ánodo).

La polarización puede ser: 1) electroquímica; 2) químico.

REQUISITOS DE SEGURIDAD OCUPACIONAL

1. Los experimentos con sustancias tóxicas y de olor desagradable deben realizarse en una campana extractora.

2. Al reconocer el gas que se libera por el olfato, debe dirigir el chorro con movimientos de la mano desde el recipiente hacia usted.

3. Al realizar el experimento, debe asegurarse de que los reactivos no entren en contacto con su cara, ropa o con una persona que esté a su lado.

4. Al calentar líquidos, especialmente ácidos y álcalis, sostenga el tubo de ensayo con la abertura alejada de usted.

5. Al diluir ácido sulfúrico, no se debe agregar agua al ácido, se debe verter el ácido con cuidado, en pequeñas porciones, en agua fría, revolviendo la solución.

6. Después de terminar el trabajo, lávese bien las manos.

7. Se recomienda verter las soluciones gastadas de ácidos y álcalis en recipientes especialmente preparados.

8. Todos los frascos con reactivos deben cerrarse con tapones adecuados.

9. Los reactivos que queden después del trabajo no se deben verter ni verter en botellas de reactivos (para evitar la contaminación).

Orden de trabajo

Ejercicio 1

ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN DE METALES

Instrumentos y reactivos: zinc granulado; sulfato de cobre CuSO 4, solución 0,1 N; Tubos de ensayo

Sumerja un trozo de zinc granulado en una solución 0,1 N de sulfato de cobre. Déjelo quieto sobre el trípode y observe lo que sucede. Escribe una ecuación para la reacción. Concluya qué metal se puede tomar como ánodo y cuál como cátodo para el siguiente experimento.

Tarea 2

CÉLULA GALVÁNICA

Instrumentos y reactivos: Zn, Cu – metales; sulfato de zinc, ZnSO 4, solución 1 M; sulfato de cobre CuSO 4, solución 1 M; cloruro de potasio KCl, solución concentrada; galvanómetro; anteojos; Tubo en forma de U, algodón.

Vierta hasta ¾ del volumen de una solución de sal metálica 1 M, que es el ánodo, en un vaso, y el mismo volumen de una solución de sal metálica 1 M, que es el cátodo, en el otro vaso. Llene el tubo en forma de U con solución concentrada de KCl. Cubra los extremos del tubo con trozos gruesos de algodón y bájelos en ambos vasos para que queden sumergidos en las soluciones preparadas. Coloque una placa de ánodo de metal en un vaso y una placa de cátodo de metal en otro; montar una celda galvánica con un galvanómetro. Cerrar el circuito y marcar la dirección de la corriente mediante un galvanómetro.

Dibuja un diagrama de una celda galvánica.

Escribe ecuaciones electrónicas para las reacciones que ocurren en el ánodo y el cátodo de esta celda galvánica. Calcule la FEM.

Tarea 3

DETERMINACIÓN DE UN ÁNODO A PARTIR DE UN CONJUNTO ESPECÍFICO DE PLACAS

Instrumentos y reactivos: Zn, Cu, Fe, Al – metales; sulfato de zinc, ZnSO 4, solución 1 M; sulfato de cobre CuSO 4, solución 1 M; sulfato de aluminio Al 2 (SO 4) 3 solución 1 M; sulfato de hierroFeSO 4, solución 1 M; cloruro de potasio KCl, solución concentrada; anteojos; Tubo en forma de U, algodón.

Forma pares galvánicos:

Zn/ZnSO 4 ||FeSO 4 /Fe

Zn/ZnSO4 || CuSO4/Cu

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

A partir del conjunto indicado de placas y soluciones de sales de estos metales, montar una celda galvánica en la que el zinc sería el cátodo (tarea 2).

Escriba ecuaciones electrónicas para las reacciones que ocurren en el ánodo y el cátodo de la celda galvánica ensamblada.

Escriba la reacción redox que subyace al funcionamiento de esta celda galvánica. Calcule la FEM.

FORMULACIÓN DEL INFORME

El diario de laboratorio se completa durante las clases de laboratorio a medida que se completa el trabajo y contiene:

fecha de finalización de la obra;

nombre del trabajo de laboratorio y su número;

el nombre del experimento y el propósito de su implementación;

observaciones, ecuaciones de reacción, diagrama de dispositivo;

preguntas de prueba y tareas sobre el tema.

TAREAS DE CONTROL

1. ¿Cuáles de las siguientes reacciones son posibles? Escribe ecuaciones de reacción en forma molecular y crea ecuaciones electrónicas para ellas:

Zn(NO 3) 2 + Cu →

Zn(NO3)2 + Mg →

2. Elaborar diagramas de celdas galvánicas para determinar los potenciales normales de los electrodos de Al/Al 3+ , Cu/Cu 2+ emparejados con un electrodo de hidrógeno normal.

3. Calcule la fem de la celda galvánica.

Zn/ZnSO4 (1M)| |CuSO4 (2M)

¿Qué procesos químicos ocurren durante el funcionamiento de este elemento?

4. El zinc químicamente puro casi no reacciona con el ácido clorhídrico. Cuando se añade nitrato de plomo al ácido, se produce un desprendimiento parcial de hidrógeno. Explica estos fenómenos. Escribe las ecuaciones de las reacciones que ocurren.

5. El cobre está en contacto con el níquel y se sumerge en una solución diluida de ácido sulfúrico, ¿qué proceso ocurre en el ánodo?

6. Elaborar un diagrama de una celda galvánica, que se basa en una reacción que se desarrolla según la ecuación: Ni+Pb(NO 3) 2 =Ni(NO 3) 2 +Pb

7. Un electrodo de manganeso en una solución de su sal tiene un potencial de 1,2313 V. Calcule la concentración de iones Mn 2+ en mol/l.

Tiempo asignado para el trabajo de laboratorio.

Literatura

Principal

1. Glinka. SOBRE EL. Química general: libro de texto. Manual para universidades. – M.: Integral – Prensa, 2005. – 728 p.

2. Korzhukov N. G. Química general e inorgánica. – M.: MISIS;

INFRA-M, 2004. – 512 p.

Adicional

3. Frolov V.V. Química: libro de texto. subsidio para colegios. – M.: Más alto. escuela, 2002. –

4. Korovin N.V.. Química general: un libro de texto para ingeniería. dirección y especial universidades – M.: Más alto. escuela, 2002.–559 p.: enfermo..

4. Ajmátov N.S. Química general e inorgánica: un libro de texto para universidades. - 4ª ed., corregida - M.: Superior. escuela, 2002. –743 p.

5. Glinka N.A. Tareas y ejercicios de química general. – M.: Integral –Prensa, 2001. – 240 p.

6. Metelsky A.V. Química en preguntas y respuestas: un libro de referencia. – Mn.: Bel.En., 2003. – 544 p.

celdas galvánicas

Pautas

para realizar trabajos de laboratorio

en el curso "Química"

para estudiantes de campos y especialidades técnicas,

"Química general e inorgánica"

para estudiantes de la dirección "Tecnología Química"

todas las formas de educación

Compilado por: Sinitsyna Irina Nikolaevna

Timoshina Nina Mijailovna

Hoy en día, las celdas galvánicas se encuentran entre las más comunes de las celdas químicas y, a pesar de sus desventajas, se utilizan activamente en la ingeniería eléctrica y se mejoran constantemente.

Principio de operación

El ejemplo más sencillo de cómo funciona una celda galvánica es el siguiente. Se sumergen dos placas en un frasco de vidrio con una solución acuosa de ácido sulfúrico: una es de cobre y la otra es de zinc. Se convierten en los polos positivo y negativo del elemento. Si estos polos se conectan con un conductor, se obtiene lo más sencillo: dentro del elemento, la corriente fluirá desde la placa de zinc, que tiene carga negativa, hasta la placa de cobre, que tiene carga positiva. En el circuito externo, el movimiento de las partículas cargadas se producirá en dirección opuesta.

Bajo la influencia de la corriente, los iones de hidrógeno y el residuo ácido del ácido sulfúrico se moverán en diferentes direcciones. El hidrógeno cederá sus cargas a la placa de cobre y el residuo ácido cederá sus cargas a la placa de zinc. Esto mantendrá el voltaje en los terminales del elemento. Al mismo tiempo, se depositarán burbujas de hidrógeno en la superficie de la placa de cobre, lo que debilitará la acción de la celda galvánica. El hidrógeno crea un voltaje adicional junto con el metal de la placa, lo que se denomina fuerza electromotriz de polarización. La dirección de carga de esta FEM es opuesta a la dirección de carga de la FEM de la celda galvánica. Las propias burbujas crean una resistencia adicional en el elemento.

El elemento que analizamos es un ejemplo clásico. En realidad, estos elementos galvánicos simplemente no se utilizan debido a su alta polarización. Para evitar que esto suceda, durante la fabricación de elementos, se introduce en su composición una sustancia especial que absorbe átomos de hidrógeno, que se llama despolarizador. Por regla general, se trata de preparados que contienen oxígeno o cloro.

Ventajas y desventajas de las celdas galvánicas modernas.

Las celdas galvánicas modernas están hechas de diferentes materiales. El tipo más común y familiar son las pilas de carbono y zinc que se utilizan en las pilas AA. Sus ventajas incluyen un precio relativamente bajo, mientras que sus desventajas incluyen una vida útil corta y poca energía.

Una opción más conveniente son las pilas galvánicas alcalinas. También se les llama manganeso-zinc. En este caso el electrolito no es una sustancia seca como el carbón, sino una solución alcalina. Cuando se descargan, dichos elementos prácticamente no emiten gas, por lo que pueden sellarse herméticamente. La vida útil de tales elementos es mayor que la de los elementos de carbono-zinc.

Los elementos de mercurio tienen un diseño similar a los elementos alcalinos. Aquí se utiliza óxido de mercurio. Estas fuentes de corriente se utilizan, por ejemplo, para equipos médicos. Sus ventajas son la resistencia a altas temperaturas (hasta +50 y, en algunos modelos, hasta +70 ˚С), voltaje estable y alta resistencia mecánica. La desventaja son las propiedades tóxicas del mercurio, por lo que los elementos gastados deben manipularse con mucho cuidado y enviarse a reciclaje.

En algunas celdas se utiliza óxido de plata para fabricar cátodos, pero debido al alto coste del metal, su uso no es económicamente viable. Las celdas con ánodos de litio son más comunes. También tienen un coste elevado, pero tienen el voltaje más alto entre todos los tipos de celdas galvánicas consideradas.

Otro tipo de celdas galvánicas son las celdas galvánicas de concentración. En ellos, el proceso de movimiento de partículas puede ocurrir con o sin transferencia de iones. El primer tipo es un elemento en el que se sumergen dos electrodos idénticos en diferentes concentraciones, separados por una partición semipermeable. En tales elementos, los CEM se producen debido al hecho de que los iones se transfieren a una solución con una concentración más baja. En los elementos del segundo tipo, los electrodos están hechos de diferentes metales y la concentración se iguala debido a los procesos químicos que ocurren en cada uno de los electrodos. estos elementos son superiores a los del primer tipo.