باتری‌های گالوانیکی - گروه‌هایی از سلول‌های گالوانیکی به هم پیوسته الکتریکی که به دلیل مواد شیمیایی برق تولید می‌کنند. واکنش بین مواد فعال الکترودها رخ می دهد. در باتری گالوانیکی بیشتر از سلول های گالوانیکی استفاده می شود که در آن الکترود مثبت از مخلوط دی اکسید منگنز و گرافیت و الکترود منفی از روی ساخته شده است. به عنوان یک الکترولیت، معمولاً از محلول کلرید آمونیوم (آمونیاک) و سایر نمک های کلرید استفاده می شود. چنین عناصری منگنز روی نامیده می شوند.

برنج. 1. سلول خشک فنجانی: 1 - الکترود منفی (روی)، 2 - جعبه مقوایی، 3 - هادی پایین، 4 - کلاهک، 5 - الکترود مثبت، 6 - لایه الکترولیت (خمیر)، 7 - رزین، 8 - مقوا واشر، 9 - واشر عایق، 10 - لوله شیشه ای (خروجی گاز)

گاهی اوقات علاوه بر دی اکسید منگنز و گرافیت، کربن فعال نیز به ترکیب الکترود مثبت اضافه می شود که اکسیژن را از اتمسفر اطراف جذب می کند که امکان استفاده از آن را در کاربردهای شیمیایی فراهم می کند. واکنش ها چنین عناصری منگنز-هوا-روی نامیده می شوند. آنها با ظرفیت بالاتر و هزینه کمتر مشخص می شوند. برای مقاصد خاص، از عناصر حجیم کربن-روی و آهن-زغال سنگ استفاده می شود که ثبات ولتاژ بالایی دارند. به دلیل عدم استفاده از سلول های پرکننده الکترولیت مایع، این دومی با کمک آرد، نشاسته، مقوا یا پرکننده های دیگر به حالت چسبناک تبدیل می شود و به همین دلیل سیالیت خود را از دست می دهد و در هیچ موقعیتی از سلول بیرون نمی ریزد. . چنین عناصری خشک نامیده می شوند.

دو نوع اصلی از عناصر خشک وجود دارد: شیشه و بیسکویت. در عنصر جام (شکل 1)، الکترود منفی (قطب روی) به شکل یک فنجان بدون درز یا مستطیل شکل استوانه ای با درز طولی (لحیم شده، جوش داده شده، نورد) ساخته شده است. الکترود مثبت یک استوانه یا منشور است که بر روی یک میله کربن فشرده می شود که به عنوان جمع کننده جریان عمل می کند. الکترود مثبت در داخل الکترود منفی قرار می گیرد و فضای بین آنها با الکترولیت متراکم پر می شود. در یک عنصر بیسکویتی (شکل 2)، الکترودها شبیه صفحاتی هستند که توسط یک دیافراگم مقوایی آغشته به الکترولیت از هم جدا می شوند. تمام قطعات با یک لبه (حلقه) وینیل کلرید الاستیک سفت می شوند. کلکتور جریان یک لایه غیرقابل نفوذ الکترولیت از جرم رسانای الکتریکی است که در سمت بیرونی الکترود روی قرار گرفته است. عناصر منگنز - هوا - روی فقط در نوع فنجانی تولید می شوند.

برنج. 2. سلول خشک از نوع بیسکویت: 1 - الکترود منفی (روی) با لایه رسانای الکتریکی، 2 - الکترود مثبت، 3 - دیافراگم مقوایی آغشته به الکترولیت، 4 - کاغذ بسته بندی الکترود مثبت، 5 - حلقه وینیل کلرید.

شاخص های اصلی عنصر، نیروی الکتروموتور (emf) و ولتاژ آن است که مقدار آن با یک ولت متر اندازه گیری می شود (نگاه کنید به)، در حالت اول - در صورت عدم وجود مقاومت بار، در مورد دوم - زمانی که مقاومت بار مشخص شده است. توسط استاندارد متصل است. E. d. s. عناصر منگنز - روی از 1.5 تا 1.8 ولت متغیر است. d.s. سلول های منگنز - هوا - روی 1.4 V است. مقدار ولتاژ عنصر همیشه کمتر از e است. d.s.، تفاوت بین آنها با کاهش مقاومت بار افزایش می یابد. مهم ترین پارامتر باتری های گالوانیکی نیز میزان برقی است که از خود ساطع می کنند و قابلیت ذخیره آن برای مدت طولانی (ایمنی). مقدار انرژی منتشر شده یا با مدت زمان عنصر بر حسب ساعت یا با ظرفیت الکتریکی آن در یک ساعت اندازه گیری می شود. از آنجایی که ولتاژ عنصر در هنگام تخلیه کاهش می یابد، پس در فناوری. اسناد همیشه حد پایین ولتاژ (ولتاژ نهایی) را مشخص می کند که حد پایین عملکرد آن را تعیین می کند. در یک ولتاژ نهایی معین، ظرفیت الکتریکی عنصر و در نتیجه مدت کارکرد آن نیز به دما و مقدار مقاومت بار (جدول 1) و همچنین فرکانس تخلیه بستگی دارد.

ظرفیت باتری های گالوانیکی با افزایش مقاومت بار و افزایش دما افزایش می یابد. کمترین دمایی که عناصر می توانند در آن کار کنند: برای منگنز-روی -20 درجه، برای منگنز - هوا - روی -5 درجه. تناوب تخلیه با تناوب و طول دوره های تخلیه و استراحت عنصر مشخص می شود. به عنوان یک قاعده، سلول های منگنز - روی با تخلیه متناوب ظرفیت بیشتری نسبت به تخلیه مداوم دارند و سلول های منگنز - هوا - روی، برعکس، کمتر.

ایمنی باتری های گالوانیکی (سلولی) دوره ای از لحظه ساخت تا شروع کار است که در طی آن محصول عملکرد خود را حفظ می کند. مقدار ظرفیت باقیمانده (یا مدت زمان کار) در استاندارد مشخص شده است و معمولاً 60-75٪ از اصلی است.

ماندگاری نشان داده شده روی برچسب حداقل است و تقریباً همیشه باتری ها و سلول های گالوانیکی را می توان برای مدتی استفاده کرد. مناسب بودن آنها در این مورد با ولتاژ تعیین می شود.

اتصال عناصر در باتری های گالوانیکی می تواند سری، موازی و مختلط باشد. با اتصال سری، قطب مثبت یک عنصر به قطب منفی عنصر بعدی و غیره متصل می شود (شکل 3).

برنج. 3. طرح اتصال سریال عناصر

برنج. 4. طرح اتصال موازی سلول های باتری

برنج. 5. اتصال مخلوط سلول های باتری

از چنین اتصال عناصر برای ایجاد ولتاژ بالاتر باتری گالوانیکی استفاده می شود که در این حالت با تعداد عناصر متصل به سری نسبت مستقیم دارد. ظرفیت باتری گالوانیکی تغییر نمی کند و برابر با ظرفیت یک سلول است. اتصال موازی با اتصال به یکدیگر، از یک طرف، تمام قطب های مثبت عناصر، از سوی دیگر - منفی (شکل 4) انجام می شود. در همان زمان، ظرفیت باتری گالوانیکی افزایش می یابد و ولتاژ آن برابر با ولتاژ یک سلول جداگانه باقی می ماند. با اتصال مخلوط، هر دو روش فوق استفاده می شود: چندین گروه یکسان با یک اتصال سریالی از عناصری که به صورت موازی به یکدیگر متصل هستند، مونتاژ می شوند (شکل 5). در همان زمان، هر دو ولتاژ و ظرفیت بر این اساس افزایش می یابد.

بسته به هدف، باتری های گالوانیکی به باتری های آندی، شبکه ای، رشته ای و لامپ تقسیم می شوند.

باتری های آند گالوانیکی (شکل 6) برای تغذیه مدارهای آند گیرنده های رادیویی در نظر گرفته شده است.

برنج. 6. باتری BS-G-70

ولتاژ آنها نسبتاً بالا است - از 60 تا 120 ولت. آنها برای جریان کمی استفاده می شوند - از 3 تا 12 میلی متر. به طور معمول، این باتری های گالوانیکی دارای جمع کننده های جریان اضافی به شکل یک سوکت در پانل یا سیم های نرم هستند که به شما امکان می دهد ابتدا بخشی از باتری گالوانیکی را استفاده کنید و بقیه آن را با افت ولتاژ وصل کنید. این حالت تخلیه مقطعی نامیده می شود و اجازه می دهد تا در محدوده های معینی، عمر باتری گالوانیکی افزایش یابد.

باتری های شبکه galvanic برای ایجاد ولتاژ بایاس در شبکه های لوله های رادیویی طراحی شده اند.

برنج. 7. باتری BSG-60-S-8

آنها از اتصال سریال استفاده می کنند. ولتاژ از 4.5 تا 12.0 V. مصرف جریان از 3 میلی آمپر تجاوز نمی کند. آنها در یک مورد با باتری های آند گالوانیکی (شکل 7) سوار می شوند و از همان عناصر با آنها ساخته شده اند.

باتری های رشته ای گالوانیکی (شکل 8) برای تغذیه رشته های لوله های رادیویی طراحی شده اند.

برنج. 8. باتری BNS-MVD-500

برای رادیوهای باتری ثابت ("رودینا"، "ایسکرا" و غیره)، باتری های رشته ای گالوانیکی، به منظور ایجاد ظرفیت بیشتر، از چهار سلول منگنز-هوا-روی با اندازه بزرگ تشکیل شده اند که به صورت موازی به هم متصل شده اند. ولتاژ آنها برابر با ولتاژ یک عنصر است و جریان مصرفی از 0.3 تا 0.5 a است. باتری های رشته ای رادیوهای باتری قابل حمل گالوانیکی از اتصال موازی و ترکیبی سلول های کوچک استفاده می کنند. برای گیرنده رادیویی باتری تولا، صنعت یک کیت منبع تغذیه در یک کیس خاص، متشکل از یک باتری گالوانیکی آند و رشته ای تولید می کند (شکل 9).

برنج. 9. کیت - منبع تغذیه گیرنده رادیویی "Tula"

باتری فانوس گالوانیکی برای روشن کردن لامپ های چراغ قوه طراحی شده است. آنها با مصرف جریان بالا (از 150 تا 280 A) در ولتاژ پایین (3.0-4.5 V) و ابعاد کوچک مشخص می شوند. رایج ترین باتری های گالوانیکی از نوع KBS-L-0.50 (شکل 10) هستند که از سه سلول متصل به سری تشکیل شده اند. برای لامپ های سطح مقطع دایره ای و ابزار اندازه گیری (اهم متر، آوومتر و غیره)، صنعت المان های استوانه ای از نوع FBS تولید می کند که اتصال سریال بین آنها، در صورت لزوم، مستقیماً هنگام وارد شدن به بدنه دستگاه انجام می شود. لامپ (دستگاه).

برنج. 10. باتری برای چراغ قوه KBS-L-0.50

نمادهای عنصر معمولاً از چهار قسمت تشکیل شده است. شکل اولیه ابعاد (به میلی متر) را نشان می دهد: شماره 2 - 40x40x100، شماره 3-55x55x130، شماره 6 - 80x80x175. حروف - C - خشک، L - تابستان، X - مقاوم در برابر سرما؛ اعداد زیر ظرفیت عنصر را نشان می دهد. بنابراین، 3S-L-30 یعنی: عنصر شماره 3، خشک، تابستانی، با ظرفیت 30 در ساعت. نام باتری های گالوانیکی که با حروف شروع می شود از 4-5 قسمت تشکیل شده است که معانی زیر را دارند: B - باتری، A - آند، H - رشته ای، C - خشک، G - بیسکویت، F - فانوس، K - جیب. عدد بعد از حروف برای باتری های آند گالوانیکی ولتاژ را نشان می دهد، برای باتری های رشته ای - ظرفیت. با این حال، گاهی اوقات در تعیین باتری های آند گالوانیکی، حرف A حذف می شود و یک نشانگر عددی دوم در انتهای نام اضافه می شود - ظرفیت باتری گالوانیکی. نام باتری های گالوانیکی که با اعداد شروع می شود دارای معانی زیر است: عدد اولیه نشان دهنده ولتاژ است، عدد نهایی نشان دهنده ظرفیت، حروف: MTs - سیستم روی - منگنز، B - نشان دهنده استفاده از اکسیژن اتمسفر، H - است. رشته ای، A - آند، T - تلفن، C - برای سمعک، P - پانل. باتری های گالوانیکی که برای تامین انرژی گیرنده های رادیویی در نظر گرفته شده اند نیز نام تجاری دارند. باتری های گالوانیکی با چسباندن برچسبی نشان می دهند که نشان می دهد: نام یا علامت تجاری سازنده، نماد باتری های گالوانیکی، ولتاژ نامی، ظرفیت اولیه، ماندگاری تضمین شده و ظرفیت در پایان عمر مفید.

مناسب بودن باتری ها و سلول های گالوانیکی با بازرسی خارجی و اندازه گیری ولتاژ در هادی های پایین تعیین می شود. در حین بازرسی باید از سالم بودن هادی های پایینی و عدم وجود عیوب خارجی اطمینان حاصل کنید: شکستگی، تخریب رزین ریخته گری (ماستیک)، آسیب دیدگی و خیس شدن کیس. ولتاژ با یک ولت متر بررسی می شود. نباید کمتر از مقادیر مشخص شده در جدول باشد. 2. باتری های گالوانیکی در جعبه های چوبی با وزن ناخالص 65-80 کیلوگرم بسته بندی می شوند که داخل آن با کاغذ ضد رطوبت پوشانده شده و با لایه ای از براده های خشک یا مواد بسته بندی دیگر از دیواره های آنها جدا می شود. باتری های گالوانیکی باید در جای خشک و خنک نگهداری شوند. رطوبت بالا در اتاق انبار و همچنین دمای بالا، عمر مفید آنها را به شدت کاهش می دهد. دمای پایین برای باتری های گالوانیکی خطرناک نیست: پس از گرم شدن، آنها به طور کامل خواص خود را بازیابی می کنند. باتری های گالوانیکی توسط شرکت های Glavakkumulyatorprom وزارت صنعت برق اتحاد جماهیر شوروی تولید می شوند.

متن: سوچوانوف V.G.، عناصر گالوانیک، M.، 1951; موروزوف جی جی. و Gantmav S.A.، منابع جریان شیمیایی برای تغذیه تجهیزات ارتباطی، M.، 1949; کاتالوگ تلفیقی برای منابع جریان شیمیایی، M.، 1950.

سلول گالوانیکی

نمودار یک سلول گالوانیکی توسط Daniel-Jacobi

سلول گالوانیکی- بر اساس تعامل دو فلز و (یا) اکسیدهای آنها در یک الکترولیت، که منجر به ظهور جریان الکتریکی در یک مدار بسته می شود. به نام لوئیجی گالوانی.

پدیده وقوع جریان الکتریکی بر اثر تماس فلزات مختلف توسط فیزیولوژیست ایتالیایی، استاد پزشکی دانشگاه بولونیا، لوئیجی گالوانی در سال 1786 کشف شد. گالوانی انقباضات عضلات پاهای عقب قورباغه‌ای را که به تازگی جدا شده و به قلاب‌های مسی متصل است، هنگام لمس چاقوی فولادی توصیف کرد. مشاهدات توسط کاشف به عنوان جلوه ای از "الکتریسیته حیوانی" تعبیر شد.

ژنراتورهای الکتروشیمیایی (پیل های سوختی)عناصری هستند که در آنها انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. عامل اکسید کننده و عامل کاهنده در خارج از سلول ذخیره می شوند و به طور مداوم و جداگانه در طول کار به الکترودها عرضه می شوند. در حین کار پیل سوختی، الکترودها مصرف نمی شوند. عامل احیا کننده هیدروژن (H2)، متانول (CH3 OH)، متان (CH4) در حالت مایع یا گاز است. عامل اکسید کننده معمولاً اکسیژن هوا یا اکسیژن خالص است. در یک پیل سوختی اکسیژن-هیدروژن با یک الکترولیت قلیایی، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. نیروگاه ها در فضاپیماها استفاده می شوند، آنها انرژی فضاپیما و فضانوردان را تامین می کنند.

کاربرد

• باتری هامورد استفاده در سیستم هشدار، چراغ قوه، ساعت، ماشین حساب، سیستم های صوتی، اسباب بازی، رادیو، تجهیزات خودرو، کنترل از راه دور.
• باتری هابرای روشن کردن موتور خودروها استفاده می شود، همچنین می توان از آنها به عنوان منبع برق موقت در مکان های دور از شهرک ها استفاده کرد.
• سلول های سوختیدر تولید انرژی الکتریکی (در نیروگاه ها)، منابع برق اضطراری، منبع تغذیه مستقل، حمل و نقل، برق داخلی، دستگاه های تلفن همراه استفاده می شود.

همچنین ببینید

ادبیات

• آخمتوف N.S. شیمی عمومی و معدنی
• Aksenovich L. A. فیزیک در دبیرستان: نظریه. وظایف

پیوندها

یک سلول گالوانیکی منبع شیمیایی جریان الکتریکی است که بر اساس برهمکنش دو فلز و/یا اکسیدهای آنها در یک الکترولیت به نام دانشمند ایتالیایی لوئیجی گالوانی نامگذاری شده است.

بعدها، دانشمند باتری ای از سلول های مس-روی را جمع آوری کرد که بعدها ستون ولتایی نامیده شد (شکل را ببینید). این شامل چند ده لیوان روی و مس بود که به صورت جفت تا شده و با پارچه آغشته به اسید از هم جدا شده بودند. این اختراع متعاقباً توسط سایر دانشمندان در تحقیقات خود مورد استفاده قرار گرفت. بنابراین، به عنوان مثال، در سال 1802، آکادمیک روسی V.V. Petrov یک باتری غول پیکر از 2100 سلول را طراحی کرد که ولتاژی در حدود 2500 ولت ایجاد می کرد و برای تولید یک قوس الکتریکی قدرتمند استفاده می شد که دمای بالایی ایجاد می کرد که می توانست فلزات را ذوب کند.

سلول های گالوانیکی و طرح های دیگر وجود دارد. بیایید سلول گالوانیکی مس-روی دیگری را در نظر بگیریم، اما به دلیل انرژی واکنش شیمیایی بین روی و محلول سولفات مس (سلول ژاکوبی-دانیل) کار می کند. این عنصر از یک صفحه مس غوطه ور در محلول سولفات مس و یک صفحه روی غوطه ور در محلول سولفات روی تشکیل شده است (شکل را ببینید). هر دو محلول در تماس با یکدیگر هستند، اما برای جلوگیری از اختلاط، آنها را با یک پارتیشن غشایی ساخته شده از یک ماده متخلخل از هم جدا می کنند.

نوع دیگری از سلول های گالوانیکی سلول های لکلانش منگنز-روی "خشک" هستند (شکل را ببینید). به جای الکترولیت مایع، چنین سلولی از خمیر ژل مانند آمونیاک و نشاسته استفاده می کند. برای اینکه رطوبت تا حد امکان کمتر تبخیر شود، بالای چنین عنصری با موم یا رزین با سوراخ کوچکی برای خروج گازها پر می شود. به طور معمول، عناصر Leclanchet در فنجان های استوانه ای ساخته می شوند، که به طور همزمان به عنوان یک الکترود منفی و یک ظرف عمل می کنند.
تمام منابع جریان شیمیایی (سلول های گالوانیکی و باتری های آنها) به دو گروه تقسیم می شوند - اولیه (یکبار مصرف) و ثانویه (قابل استفاده مجدد یا برگشت پذیر). در منابع جریان اولیه (به صورت محاوره ای، باتری ها)، فرآیندهای شیمیایی به طور غیرقابل برگشتی پیش می روند، بنابراین شارژ آنها قابل بازیابی نیست. باتری ها به عنوان منابع جریان شیمیایی ثانویه طبقه بندی می شوند، شارژ آنها قابل بازیابی است. برای باتری های پرکاربرد، چرخه شارژ-دشارژ می تواند حدود 1000 بار تکرار شود.

باتری ها ولتاژ و ظرفیت های متفاوتی دارند. به عنوان مثال، باتری های قلیایی سنتی دارای ولتاژ نامی حدود 1.5 ولت هستند، در حالی که باتری های لیتیومی مدرن تر دارای ولتاژ نامی حدود 3 ولت هستند. ظرفیت الکتریکی به عوامل زیادی بستگی دارد: تعداد سلول های باتری، سطح شارژ، دمای محیط، جریان قطع (که در آن دستگاه حتی با شارژ موجود کار نمی کند). به عنوان مثال، باتری که دیگر در دوربین کار نمی کند اغلب در ساعت ها یا کنترل از راه دور به کار خود ادامه می دهد.
مقدار برق (شارژ) در باتری ها بر حسب آمپر ساعت اندازه گیری می شود. به عنوان مثال، اگر باتری 1 آمپر ساعت شارژ داشته باشد و دستگاه الکتریکی آن به 200 میلی آمپر نیاز داشته باشد، عمر باتری به صورت زیر محاسبه می شود: 1 Ah / 0.2 A = 5 ساعت.
به لطف پیشرفت تکنولوژی، انواع دستگاه های مینیاتوری با باتری افزایش یافته است. برای بسیاری از آنها، باتری های قوی تری مورد نیاز بود، در حالی که کاملا جمع و جور بودند. باتری‌های لیتیومی پاسخی به این نیاز شده‌اند: ماندگاری طولانی، قابلیت اطمینان بالا و عملکرد عالی در محدوده دمایی وسیع. تا به امروز، پیشرفته ترین منابع انرژی لیتیوم یون هستند. پتانسیل این فناوری هنوز به طور کامل آشکار نشده است، اما چشم اندازهای فوری با آنها همراه است.

باتری‌های نیکل-کادمیم که در سال 1899 توسط دانشمند سوئدی V. Jungner اختراع شد، از ارزش خاصی در فناوری برخوردار هستند. اما تنها در اواسط قرن بیستم، مهندسان طرحی تقریبا مدرن برای چنین باتری های مهر و موم شده ای ارائه کردند. باتری های قابل شارژ به دلیل فشرده بودن و مستقل بودن در اتومبیل ها، قطارها، رایانه ها، تلفن ها، دوربین ها، دوربین های فیلمبرداری، ماشین حساب و غیره استفاده می شوند.
ویژگی های اصلی یک باتری ظرفیت و حداکثر جریان آن است. ظرفیت باتری در آمپر ساعت برابر است با حاصل ضرب جریان محدود کننده و مدت زمان تخلیه. به عنوان مثال، اگر یک باتری بتواند جریان 80 میلی آمپر را به مدت 10 ساعت ارائه دهد، آنگاه ظرفیت آن عبارت است از: 80 میلی آمپر 10 ساعت = 800 میلی آمپر (یا به عبارت بین المللی، 800 میلی آمپر ساعت، شکل را ببینید).

کوزنتسوا آلا ویکتورونا (سامارا)

وزارت آموزش و پرورش و علوم فدراسیون روسیه

دانشگاه ملی تحقیقات هسته ای MEPhI

موسسه مهندسی و فناوری بالاکوو

سلول های گالوانیکی

رهنمودها

در درس "شیمی"

همه اشکال آموزش

بالاکوو 2014

هدف کار: بررسی اصل عملکرد سلول های گالوانیکی.

مفاهیم اساسی

فرآیندهای الکتروشیمیایی در رابط

در گره های شبکه های کریستالی فلزات یون های اتم قرار دارند. هنگامی که یک فلز در یک محلول غوطه ور می شود، برهمکنش پیچیده یون های فلزی سطحی با مولکول های حلال قطبی آغاز می شود. در نتیجه، فلز اکسید می شود و یون های هیدراته (محلول) آن به محلول می روند و الکترون ها را در فلز باقی می گذارند:

من + m H 2 O Me (H 2 O) +نه-

فلز دارای بار منفی و محلول دارای بار مثبت است. بین کسانی که وارد شده اند یک جاذبه الکترواستاتیکی وجود دارد مایع توسط کاتیون های هیدراته و سطح فلز و در سطح مشترک فلز-محلول یک لایه الکتریکی دوتایی تشکیل می شود که با اختلاف پتانسیل مشخص مشخص می شود - پتانسیل الکترود

برنج. 1 لایه الکتریکی دوتایی در رابط فلز-محلول

همراه با این واکنش، واکنش معکوس ادامه می یابد - کاهش یون های فلزی به اتم.

من (H2O) +ne
من + m H 2 O -

در مقدار معینی از پتانسیل الکترود، تعادل برقرار می شود:

من + m H 2 O
من (H2O) +نه-

برای سادگی، آب در معادله واکنش گنجانده نشده است:

من
من 2+ +ne-

پتانسیل ایجاد شده در شرایط تعادل واکنش الکترود را پتانسیل الکترود تعادلی می نامند.

سلول های گالوانیکی

سلول های گالوانیکی- منابع شیمیایی انرژی الکتریکی آنها سیستم هایی متشکل از دو الکترود (رسانای نوع I) غوطه ور در محلول های الکترولیت (رساناهای نوع II) هستند.

انرژی الکتریکی در سلول های گالوانیکی به دلیل فرآیند ردوکس به دست می آید، مشروط بر اینکه واکنش اکسیداسیون به طور جداگانه روی یک الکترود و واکنش احیا روی دیگری انجام شود. به عنوان مثال، هنگامی که روی در محلول سولفات مس غوطه ور می شود، روی اکسید شده و مس احیا می شود.

Zn + CuSO 4 \u003d Cu + ZnSO 4

Zn 0 + Cu 2+ \u003d Cu 0 + Zn 2+

می توان این واکنش را به گونه ای انجام داد که فرآیندهای اکسیداسیون و احیا از نظر مکانی از هم جدا شوند. سپس انتقال الکترون ها از عامل کاهنده به عامل اکسید کننده مستقیماً انجام نمی شود، بلکه از طریق یک مدار الکتریکی انجام می شود. روی انجیر شکل 2 نموداری از یک سلول گالوانیکی دانیل-ژاکوبی را نشان می دهد، الکترودها در محلول های نمک غوطه ور شده و در حالت تعادل الکتریکی با محلول ها هستند. روی به عنوان یک فلز فعال تر، یون های بیشتری را نسبت به مس به داخل محلول می فرستد که در نتیجه الکترود روی به دلیل باقی ماندن الکترون ها روی آن، بار منفی بیشتری نسبت به مس دارد. محلول ها توسط پارتیشنی جدا می شوند که فقط در برابر یون های میدان الکتریکی قابل نفوذ است. اگر الکترودها توسط یک هادی (سیم مسی) به یکدیگر متصل شوند، الکترون های الکترود روی، جایی که تعداد بیشتری از آنها وجود دارد، از طریق مدار خارجی به مدار مسی می روند. یک جریان پیوسته از الکترون ها وجود دارد - یک جریان الکتریکی. در نتیجه خروج الکترون‌ها از الکترود روی، روی شروع به عبور از محلول به شکل یون می‌کند و از دست دادن الکترون‌ها را جبران می‌کند و در نتیجه به دنبال بازگرداندن تعادل است.

الکترودی که در آن اکسیداسیون اتفاق می افتد آند نامیده می شود. الکترودی که در آن احیا صورت می گیرد کاتد نامیده می شود.

آند (-) کاتد (+)

برنج. 2. نمودار یک سلول گالوانیکی

در طول عملیات یک عنصر مس-روی، فرآیندهای زیر رخ می دهد:

1) آندی - فرآیند اکسیداسیون روی Zn 0 - 2e → Zn 2+.

2) کاتدی - فرآیند کاهش یون های مس Cu 2 + + 2e→ Cu 0.

3) حرکت الکترون ها در امتداد مدار خارجی؛

4) حرکت یون ها در محلول.

در شیشه سمت چپ کمبود آنیون SO 4 2- وجود دارد و در شیشه سمت راست مقدار زیادی وجود دارد. بنابراین، در مدار داخلی یک سلول گالوانیکی در حال کار، حرکت یون های SO 4 2- از شیشه سمت راست به سمت شیشه سمت چپ از طریق غشاء وجود دارد.

با جمع بندی واکنش های الکترود، به دست می آوریم:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

واکنش های زیر روی الکترودها انجام می شود:

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

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

Zn + CuSO 4 → Cu + ZnSO 4 (واکنش کل)

نمودار یک سلول گالوانیکی: (-) Zn/ZnSO 4 | |CuSO 4 /Cu(+)

یا به شکل یونی: (-) Zn/Zn 2+ | | Cu 2+ /Cu (+)، که در آن خط عمودی رابط بین فلز و محلول را نشان می دهد و دو خط - رابط بین دو فاز مایع - یک پارتیشن متخلخل (یا یک لوله اتصال پر از محلول الکترولیت).

حداکثر کار الکتریکی (W) در طول تبدیل یک مول از یک ماده:

W=nF E، (1)

که در آن ΔE نیروی محرکه الکتریکی سلول گالوانیکی است.

F عدد فارادی برابر با 96500 درجه سانتیگراد است.

n بار یون فلز است.

نیروی حرکتی یک سلول گالوانیکی را می توان به عنوان اختلاف پتانسیل بین الکترودهایی که پیل گالوانیکی را تشکیل می دهند محاسبه کرد:

EMF \u003d اکسید E. - E restore \u003d E k - E a,

که در آن EMF نیروی الکتروموتور است.

E اکسید شده پتانسیل الکترود فلز کمتر فعال است.

بازیابی E - پتانسیل الکترود فلز فعال تر.

پتانسیل های استاندارد الکترود فلزات

تعیین مستقیم مقادیر مطلق پتانسیل الکترود فلزات غیرممکن است، اما می توان تفاوت پتانسیل های الکترود را تعیین کرد. برای انجام این کار، اختلاف پتانسیل بین الکترود اندازه گیری شده و الکترود را که پتانسیل آن مشخص است، پیدا کنید. متداول ترین الکترود مرجع، الکترود هیدروژنی است. بنابراین، EMF یک سلول گالوانیکی، متشکل از الکترود هیدروژن مورد بررسی و استاندارد، که پتانسیل الکترود آن صفر در نظر گرفته شده است، اندازه‌گیری می‌شود. طرح های سلول های گالوانیکی برای اندازه گیری پتانسیل یک فلز به شرح زیر است:

H 2، Pt|H + || من n + | من

از آنجایی که پتانسیل الکترود هیدروژن به طور مشروط برابر با صفر است، EMF عنصر اندازه گیری شده برابر با پتانسیل الکترود فلز خواهد بود.

پتانسیل استاندارد الکترود فلزپتانسیل الکترودی آن نامیده می شود که زمانی اتفاق می افتد که یک فلز در محلولی از یون خود با غلظت (یا فعالیت) برابر با 1 مول در لیتر، در شرایط استاندارد، در مقایسه با یک الکترود هیدروژن استاندارد، که پتانسیل آن اندازه گیری می شود، غوطه ور شود. در 25 0 C به طور مشروط برابر با صفر در نظر گرفته می شود. قرار دادن فلزات در یک ردیف با افزایش پتانسیل الکترود استاندارد آنها (E°) به اصطلاح سری ولتاژ را بدست می آوریم.

هرچه پتانسیل سیستم Me/Me n+ منفی تر باشد، فلز فعال تر است.

پتانسیل الکترود فلزی که در محلول نمک خود در دمای اتاق غوطه ور می شود به غلظت یون های مشابه بستگی دارد و با فرمول نرنست تعیین می شود:

, (2)

که در آن E 0 پتانسیل نرمال (استاندارد)، V است.

R ثابت گاز جهانی، برابر با 8.31 J (mol.K) است.

F عدد فارادی است.

T - دمای مطلق، K؛

C غلظت یون های فلزی در محلول، mol/l است.

با جایگزینی مقادیر R، F، دمای استاندارد T = 298 0 K و ضریب تبدیل از لگاریتم های طبیعی (2.303) به اعشاری، یک فرمول مناسب به دست می آوریم:

(3)

تغلیظ عناصر گالوانیکی

سلول‌های گالوانیک می‌توانند از دو الکترود کاملاً یکسان که در محلول‌های الکترولیت یکسان، اما با غلظت‌های متفاوت غوطه‌ور شده‌اند، تشکیل شوند. چنین عناصری تمرکز نامیده می شوند، به عنوان مثال:

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

در مدارهای غلظت برای هر دو الکترود، مقادیر n و E 0 یکسان است، بنابراین، برای محاسبه EMF چنین عنصری، می توان از

, (4)

که در آن C 1 غلظت الکترولیت در محلول رقیق تر است.

C 2 - غلظت الکترولیت در محلول غلیظ تر

قطبش الکترود

پتانسیل تعادل الکترودها را می توان در غیاب جریان در مدار تعیین کرد. قطبی شدن- تغییر در پتانسیل الکترود در طول عبور جریان الکتریکی.

E = E i - E p , (5)

جایی که E - قطبش؛

E i - پتانسیل الکترود در طول عبور جریان الکتریکی.

E p - پتانسیل تعادل. قطبش می تواند کاتدی E K (در کاتد) و آند E A (در آند) باشد.

قطبش می تواند: 1) الکتروشیمیایی. 2) شیمیایی

الزامات ایمنی

1. آزمایشات با بوی نامطبوع و مواد سمی باید در هود انجام شود.

2. هنگام تشخیص گاز تکامل یافته توسط بو، جت را با حرکات دست از ظرف به سمت خود هدایت کنید.

3. هنگام انجام آزمایش، باید اطمینان حاصل شود که معرف ها به صورت، لباس و رفیق نزدیک نرسد.

4. هنگام گرم كردن مايعات، به خصوص اسيدها و قلياها، لوله را با دهانه دور از خود نگه داريد.

5. هنگام رقیق کردن اسید سولفوریک، آب را به اسید اضافه نکنید، اسید را با احتیاط و در قسمت های کوچک در آب سرد بریزید و محلول را هم بزنید.

6. پس از اتمام کار، دست های خود را کاملا بشویید.

7. محلول های ضایعات اسیدها و قلیاها توصیه می شود در ظروف آماده شده مخصوص تخلیه شوند.

8. تمام بطری های معرف باید با درپوش مناسب بسته شوند.

9. معرف های باقی مانده پس از کار را نباید در بطری های معرف ریخت یا ریخت (برای جلوگیری از آلودگی).

سفارش کار

تمرین 1

مطالعه فعالیت فلزات

ابزار و معرف ها: روی، گرانول. سولفات مس CuSO 4، محلول 0.1 N; لوله های آزمایش.

یک تکه روی دانه ای را در محلول 0.1 نیوتن سولفات مس غوطه ور کنید. آن را در سه پایه ثابت بگذارید و ببینید چه اتفاقی می افتد. یک معادله برای واکنش بنویسید. نتیجه گیری کنید که کدام فلز را می توان به عنوان آند و کدام را به عنوان کاتد برای آزمایش بعدی در نظر گرفت.

وظیفه 2

سلول گالوانیکی

ابزار و معرف: روی، مس - فلزات. سولفات روی، ZnSO4، محلول 1 M. سولفات مس CuSO 4، محلول 1 M; کلرید پتاسیم KCl، محلول غلیظ. گالوانومتر؛ عینک؛ لوله U، پنبه.

در یک لیوان، تا ¾ حجم محلول نمک 1 مولار فلز را که همان آند است، بریزید و در دیگری - همان حجم محلول نمک 1 مولار فلز را که کاتد است، بریزید. لوله U را با محلول غلیظ KCl پر کنید. انتهای لوله را با تکه های متراکم پشم ببندید و در هر دو لیوان فرو کنید تا در محلول های آماده شده غوطه ور شوند. در یک لیوان، صفحه فلزی آند را پایین بیاورید، در دیگری، صفحه فلزی کاتد را پایین بیاورید. سلول گالوانیکی را با یک گالوانومتر سوار کنید. مدار را ببندید و جهت جریان را روی گالوانومتر علامت بزنید.

نموداری از سلول گالوانیکی تهیه کنید.

معادلات الکترونیکی واکنش های رخ داده در آند و کاتد یک سلول گالوانیکی معین را بنویسید. emf را محاسبه کنید.

وظیفه 3

تعیین آند از مجموعه مشخص شده از صفحات

ابزارها و معرف ها: روی، مس، آهن، آل - فلزات. سولفات روی، ZnSO4، محلول 1 M. سولفات مس CuSO 4، محلول 1 M; محلول سولفات آلومینیوم Al 2 (SO 4) 3 1 M; محلول سولفات آهن FeSO 4، 1 M; کلرید پتاسیم KCl، محلول غلیظ. عینک؛ لوله U، پنبه.

جفت های گالوانیکی را بسازید:

Zn/ZnSO 4 ||FeSO 4 /Fe

Zn / ZnSO 4 || CuSO4 / Cu

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

از مجموعه مشخص شده صفحات و محلول‌های نمک این فلزات، یک سلول گالوانیکی که روی در آن کاتد است جمع آوری کنید (وظیفه 2).

معادلات الکترونیکی واکنش هایی را که در آند و کاتد سلول گالوانیکی مونتاژ شده رخ می دهد بنویسید.

واکنش ردوکس را که زیربنای عملکرد این سلول گالوانیکی است، بنویسید. emf را محاسبه کنید.

طراحی گزارش

ژورنال آزمایشگاهی در طول کلاس های آزمایشگاهی در حین انجام کار پر می شود و حاوی:

تاریخ اتمام کار؛

نام کار آزمایشگاهی و شماره آن؛

نام آزمایش و هدف انجام آن؛

مشاهدات، معادلات واکنش، طرح ابزار.

کنترل سوالات و وظایف در مورد موضوع.

وظایف کنترلی

1- کدام یک از واکنش های زیر ممکن است؟ معادلات واکنش را به شکل مولکولی بنویسید و برای آنها معادلات الکترونیکی بسازید:

Zn(NO 3) 2 + Cu →

Zn(NO 3) 2 + Mg →

2. نموداری از سلول های گالوانیکی برای تعیین پتانسیل های الکترود نرمال Al/Al 3+ ,Cu/Cu 2+ همراه با یک الکترود هیدروژن معمولی تهیه کنید.

3. EMF یک سلول گالوانیکی را محاسبه کنید

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

در حین کار این عنصر چه فرآیندهای شیمیایی انجام می شود؟

4. روی خالص شیمیایی به سختی با اسید کلریدریک واکنش نشان می دهد. هنگامی که نیترات سرب به اسید اضافه می شود، تکامل جزئی هیدروژن رخ می دهد. این پدیده ها را توضیح دهید. معادلاتی برای واکنش هایی که انجام می شود بنویسید.

5. مس با نیکل در تماس است و در محلول اسید سولفوریک رقیق غوطه ور می شود، چه فرآیندی در آند انجام می شود؟

6. نمودار یک سلول گالوانیکی را رسم کنید، که بر اساس واکنش انجام شده مطابق با معادله است: Ni + Pb (NO 3) 2 \u003d Ni (NO 3) 2 + Pb

7. الکترود منگنز در محلول نمک خود دارای پتانسیل 1.2313 V است. غلظت یون Mn 2+ را بر حسب مول در لیتر محاسبه کنید.

زمان در نظر گرفته شده برای کارهای آزمایشگاهی

ادبیات

اصلی

1. گلینکا. در. شیمی عمومی: کتاب درسی. کمک هزینه برای دانشگاه ها - م.: انتگرال - چاپ، 2005. - 728 ص.

2. Korzhukov N. G. شیمی عمومی و معدنی. - M.: MISIS;

INFRA-M، 2004. - 512 p.

اضافی

3. فرولوف V.V. شیمی: کتاب درسی. کمک هزینه برای دانشگاه ها - م .: بالاتر. مدرسه، 2002. -

4. Korovin N.V. شیمی عمومی: کتاب درسی برای فناوری. جهت و خاص دانشگاه ها. - م .: بالاتر. مدرسه، 2002.–559p.: تصویر.

4. آخماتوف N.S. شیمی عمومی و معدنی: کتاب درسی برای دانشگاه ها. - چاپ چهارم، تصحیح - م .: ویسش. مدرسه، 2002. -743 ص.

5. گلینکا N.A. وظایف و تمرینات در شیمی عمومی. - م.: انتگرال-پرس، 2001. - 240 ص.

6. Metelsky A. V. شیمی در پرسش و پاسخ: کتاب مرجع. - Minsk: Bel.En., 2003. - 544 p.

سلول های گالوانیکی

رهنمودها

برای کارهای آزمایشگاهی

در درس "شیمی"

برای دانشجویان رشته های فنی و تخصصی

"شیمی عمومی و معدنی"

برای دانشجویان رشته "فناوری شیمیایی"

همه اشکال آموزش

گردآوری شده توسط: Sinitsyna Irina Nikolaevna

تیموشینا نینا میخایلوونا

امروزه سلول های گالوانیکی یکی از رایج ترین سلول های شیمیایی هستند که علیرغم کاستی هایی که دارند به طور فعال در مهندسی برق مورد استفاده قرار می گیرند و به طور مداوم در حال بهبود هستند.

اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد

ساده ترین مثال از عملکرد یک سلول گالوانیکی به این صورت است. دو صفحه در یک شیشه شیشه ای با محلول آبی اسید سولفوریک غوطه ور می شوند: یکی مس و دیگری روی. آنها به قطب مثبت و منفی عنصر تبدیل می شوند. اگر این قطب ها توسط یک هادی به هم وصل شوند، ساده ترین را دریافت می کنید، در داخل المنت جریان از صفحه روی که دارای بار منفی است به صفحه مسی که دارای بار مثبت است می رسد. در مدار خارجی، حرکت ذرات باردار در جهت مخالف رخ خواهد داد.

تحت تأثیر جریان، یون های هیدروژن و باقیمانده اسید سولفوریک اسید در جهات مختلف حرکت می کنند. هیدروژن بارهای خود را به صفحه مسی می دهد و باقی مانده اسید را به روی می دهد. بنابراین ولتاژ در گیره های المنت حفظ می شود. در همان زمان حباب های هیدروژن روی سطح صفحه مسی می نشیند که باعث تضعیف اثر سلول گالوانیکی می شود. هیدروژن همراه با فلز صفحه یک ولتاژ اضافی ایجاد می کند که به آن نیروی الکتروموتور پلاریزاسیون می گویند. جهت بار این EMF برخلاف جهت بار EMF سلول گالوانیکی است. خود حباب ها مقاومت بیشتری در عنصر ایجاد می کنند.

عنصری که در نظر گرفتیم یک نمونه کلاسیک است. در حقیقت، چنین سلول های گالوانیکی به دلیل قطبش زیاد به سادگی مورد استفاده قرار نمی گیرند. برای جلوگیری از وقوع آن، در ساخت عناصر، ماده خاصی به ترکیب آنها وارد می شود که اتم های هیدروژن را جذب می کند که به آن دپلاریز کننده می گویند. به عنوان یک قاعده، اینها آماده سازی های حاوی اکسیژن یا کلر هستند.

مزایا و معایب سلول های گالوانیکی مدرن

سلول های گالوانیکی مدرن از مواد مختلفی ساخته می شوند. رایج ترین و آشناترین نوع سلول های کربن-روی مورد استفاده در باتری های انگشتی است. از مزایای آنها می توان به ارزان بودن نسبی، معایب آن عمر مفید کوتاه و قدرت کم اشاره کرد.

یک گزینه راحت تر سلول های گالوانیکی قلیایی است. به آنها منگنز روی نیز می گویند. در اینجا الکترولیت یک ماده خشک مانند زغال سنگ نیست، بلکه یک محلول قلیایی است. تخلیه، چنین عناصری عملاً گاز منتشر نمی کنند، به طوری که می توان آنها را آب بندی کرد. ماندگاری چنین عناصری بیشتر از عناصر کربن روی است.

عناصر جیوه از نظر ساختمانی مشابه عناصر قلیایی هستند. در اینجا از اکسید جیوه استفاده می شود. چنین منابع فعلی، به عنوان مثال، برای تجهیزات پزشکی استفاده می شود. مزایای آنها مقاومت در برابر دماهای بالا (تا 50+ و در برخی از مدل ها تا +70 درجه سانتیگراد)، ولتاژ پایدار، مقاومت مکانیکی بالا است. نقطه ضعف آن خواص سمی جیوه است که به دلیل آن عناصر مصرف شده باید با دقت بسیار مورد استفاده قرار گیرند و برای بازیافت فرستاده شوند.

در برخی عناصر از اکسید نقره برای ساخت کاتد استفاده می شود، اما به دلیل گرانی فلز، استفاده از آنها صرفه اقتصادی ندارد. سلول های دارای آند لیتیوم بیشتر رایج هستند. آنها همچنین با هزینه بالا متمایز می شوند، اما دارای بالاترین ولتاژ در بین انواع سلول های گالوانیکی هستند.

نوع دیگری از سلول های گالوانیکی سلول های گالوانیکی متمرکز هستند. در آنها، روند حرکت ذرات می تواند با یا بدون انتقال یون ها ادامه یابد. نوع اول عنصری است که در آن دو الکترود یکسان در غلظت های مختلف غوطه ور شده و توسط یک پارتیشن نیمه تراوا از هم جدا شده اند. در چنین عناصری، EMF به دلیل این واقعیت است که یون ها به محلولی با غلظت کمتر منتقل می شوند. در عناصر نوع دوم، الکترودها از فلزات مختلف ساخته شده اند و به دلیل فرآیندهای شیمیایی که روی هر یک از الکترودها اتفاق می افتد، غلظت آن برابر می شود. این عناصر بالاتر از عناصر نوع اول هستند.