GALVANSKE BATERIJE – skupine međusobno električno povezanih galvanskih članaka koji stvaraju električnu energiju uslijed kemijske. reakcija koja se događa između aktivnih materijala elektroda. U galvanskoj bateriji najčešće se koriste galvanski članci kod kojih je pozitivna elektroda izrađena od mješavine mangan dioksida i grafita, a negativna elektroda od cinka. Kao elektrolit obično se koristi otopina amonijevog klorida (amonijak) i drugih kloridnih soli. Takvi elementi nazivaju se mangan-cink.

Riža. 1. Suha ćelija u obliku šalice: 1 - negativna elektroda (cink), 2 - kartonsko kućište, 3 - silazni vodiči, 4 - kapa, 5 - pozitivna elektroda, 6 - sloj elektrolita (pasta), 7 - smola, 8 - karton podloška, ​​9 - izolacijska brtva, 10 - staklena cijev (izlaz plina)

Ponekad se uz mangan dioksid i grafit u sastav pozitivne elektrode dodaje i aktivni ugljen koji apsorbira kisik iz okolne atmosfere, što omogućuje njegovu primjenu u kemijskim primjenama. reakcije. Takvi elementi nazivaju se mangan-zrak-cink. Karakterizira ih veći kapacitet i niža cijena. Za posebne namjene koriste se rasuti elementi ugljik-cink i željezo-ugljen, koji imaju visoku postojanost napona. Zbog neugodnosti korištenja tekućih elektrolita tekućih ćelija, potonji se pretvara u viskozno stanje uz pomoć brašna, škroba, kartona ili drugih punila, zbog čega gubi svoju fluidnost i ne izlijeva se iz ćelije u bilo kojem položaju . Takvi elementi nazivaju se suhi.

Postoje dvije glavne vrste suhih elemenata: staklo i biskvit. Kod čašnog elementa (slika 1) negativna elektroda (cinkov pol) izrađena je u obliku cilindrične bešavne ili s uzdužnim šavom (lemljene, zavarene, valjane) pravokutne čašice. Pozitivna elektroda je cilindar ili prizma pritisnuta na ugljičnu šipku koja služi kao odvod struje. Pozitivna elektroda je smještena unutar negativne, a prostor između njih ispunjen je kondenziranim elektrolitom. U biskvitnom elementu (slika 2) elektrode izgledaju kao ploče, koje su odvojene kartonskom dijafragmom impregniranom elektrolitom. Svi dijelovi su stegnuti elastičnim vinil kloridnim rubom (prstenom). Sakupljač struje je za elektrolit nepropusni sloj elektrovodljive mase nanesene na vanjsku stranu cinčane elektrode. Elementi mangan - zrak - cink proizvode se samo u obliku čaše.

Riža. 2. Suha ćelija tipa keksa: 1 - negativna elektroda (cink) s elektrovodljivim slojem, 2 - pozitivna elektroda, 3 - kartonske dijafragme impregnirane elektrolitom, 4 - omotni papir pozitivne elektrode, 5 - prsten od vinil klorida

Glavni pokazatelji elementa su njegova elektromotorna sila (emf) i napon, čija se vrijednost mjeri voltmetrom (vidi), u prvom slučaju - u nedostatku otpora opterećenja, u drugom - kada je navedeni otpor opterećenja po standardu je spojen. E. d. s. elementi mangan - cink kreću se od 1,5 do 1,8 V, npr. d.s. mangan - zrak - cink ćelija je 1,4 V. Vrijednost napona elementa je uvijek manja od e. d.s., razlika između njih raste sa smanjenjem otpora opterećenja. Najvažniji parametri galvanskih baterija također su količina električne energije koju odaju i mogućnost dugotrajnog skladištenja (sigurnost). Količina predane energije mjeri se ili trajanjem elementa u satima, ili njegovim električnim kapacitetom u - satu. Budući da napon elementa tijekom pražnjenja pada, tada u teh. U dokumentaciji je uvijek navedena donja granica napona (konačni napon), koja određuje donju granicu njegove izvedbe. Pri određenom konačnom naponu, električni kapacitet elementa, a time i trajanje njegovog rada, također ovisi o temperaturi i veličini otpora opterećenja (vidi tablicu 1), kao i učestalosti pražnjenja.

Kapacitet galvanskih baterija raste s porastom otpora opterećenja i porastom temperature. Najniža temperatura na kojoj elementi mogu raditi: za mangan-cink -20 °, za mangan - zrak - cink -5 °. Periodičnost pražnjenja karakterizirana je izmjenom i trajanjem razdoblja pražnjenja i mirovanja elementa. U pravilu, mangan - cinkove ćelije s povremenim pražnjenjem daju veći kapacitet nego s kontinuiranim pražnjenjem, a mangan - zrak - cinkove ćelije, naprotiv, manje.

Sigurnost galvanskih baterija (ćelija) je razdoblje od trenutka proizvodnje do početka rada, tijekom kojeg proizvod zadržava svoju učinkovitost. Vrijednost preostalog kapaciteta (ili trajanja rada) navedena je u standardu i obično iznosi 60-75% izvornika.

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

Veza elemenata u galvanskim baterijama može biti serijska, paralelna i mješovita. Kod serijskog spoja pozitivni pol jednog elementa spaja se s negativnim polom sljedećeg elementa itd. (slika 3).

Riža. 3. Shema serijskog povezivanja elemenata

Riža. 4. Shema paralelnog spajanja baterijskih ćelija

Riža. 5. Mješoviti spoj baterijskih ćelija

Ovakvim spojem elemenata stvara se veći napon galvanske baterije, koji je u ovom slučaju upravno proporcionalan broju serijski spojenih elemenata. Kapacitet galvanske baterije se ne mijenja i jednak je kapacitetu pojedinog članka. Paralelna veza se provodi međusobnim povezivanjem, s jedne strane, svih pozitivnih polova elemenata, s druge strane - negativnih (slika 4). Istodobno se povećava kapacitet galvanske baterije, a njezin napon ostaje jednak naponu pojedinog članka. S mješovitom vezom koriste se obje gore navedene metode: nekoliko identičnih skupina sastavljeno je serijskim povezivanjem elemenata koji su međusobno povezani paralelno (slika 5). U isto vrijeme, i napon i kapacitet rastu u skladu s tim.

Ovisno o namjeni, galvanske baterije se dijele na anodne, mrežne, žarulje i lampe.

Anodne baterije galvanske (Sl. 6) namijenjeni su za napajanje anodnih krugova radio prijamnika.

Riža. 6. Baterija BS-G-70

Njihov napon je relativno visok - od 60 do 120 V. Koriste se za malu struju - od 3 do 12 ma. Tipično, ove galvanske baterije imaju dodatne spustne vodiče u obliku utičnice u ploči ili mekih žica, koje vam omogućuju da prvo upotrijebite dio galvanske baterije i spojite ostatak kako napon pada. Ovaj način se naziva sekcijsko pražnjenje i omogućuje, u određenim granicama, povećanje vijeka trajanja galvanske baterije.

mrežne baterije galvanski su dizajnirani za stvaranje prednapona na rešetkama radio cijevi.

Riža. 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 jedno kućište s galvanskim anodnim baterijama (slika 7) i sastoje se od istih elemenata kao i oni.

Galvanske baterije sa žarnom niti (Sl. 8) dizajnirani su za napajanje filamenata radio cijevi.

Riža. 8. Baterija BNS-MVD-500

Kod stacionarnih radio-aparata na baterije ("Rodina", "Iskra" itd.) galvanske baterije sa žarnom niti, radi stvaranja većeg kapaciteta, sastoje se od četiri paralelno spojene mangan-zrak-cink ćelije velikih dimenzija. Njihov napon je jednak naponu jednog elementa, a struja potrošnje je od 0,3 do 0,5 a. Baterije sa žarnom niti galvanskih prijenosnih baterijskih radija koriste paralelnu i mješovitu vezu malih ćelija. Za baterijski radio prijamnik Tula, industrija proizvodi komplet za napajanje u posebnom kućištu, koji se sastoji od anode i galvanske baterije sa žarnom niti (slika 9).

Riža. 9. Komplet - napajanje za radio prijemnik "Tula"

Baterije za lampione galvanske dizajniran za napajanje žarulja svjetiljki. Karakterizira ih velika potrošnja struje (od 150 do 280 A) pri niskom naponu (3,0-4,5 V) i male dimenzije. Najrasprostranjenije su galvanske baterije tipa KBS-L-0,50 (slika 10), koje se sastoje od tri serijski spojene ćelije. Za svjetiljke kružnog presjeka i mjerne instrumente (ohmmetri, avometri itd.), Industrija proizvodi cilindrične elemente tipa FBS, čiji se serijski spoj, ako je potrebno, provodi izravno kada se umetnu u lampu (uređaj ) tijelo.

Riža. 10. Baterija za svjetiljku KBS-L-0,50

Simboli elemenata obično se sastoje od četiri dijela. Početna brojka označava dimenzije (u mm): br. 2 - 40x40x100, br. 3-55x55x130, br. 6 - 80x80x175; slova - C - suho, L - ljeto, X - otporan na hladnoću; sljedeći brojevi označavaju kapacitet elementa. Dakle, 3S-L-30 znači: element broj 3, suhi, ljetni, kapaciteta 30 na sat. Naziv galvanskih baterija, koji počinje slovima, sastoji se od 4-5 dijelova sa sljedećim značenjima: B - baterija, A - anoda, H - žarulja, C - suha, G - biskvit, F - lampion, K - džep. Broj iza slova za baterije s galvanskom anodom pokazuje napon, za baterije sa žarnom niti - kapacitet. Međutim, ponekad se u oznaci galvanskih anodnih baterija izostavlja slovo A, a na kraju oznake dodaje se drugi brojčani pokazatelj - kapacitet galvanske baterije. Nazivi galvanskih baterija, počevši od brojeva, imaju sljedeće značenje: početni broj označava napon, krajnji broj označava kapacitet, slova: MTs - sustav cink-mangan, V - označava korištenje atmosferskog kisika, H - sa žarnom niti, A - anoda, T - telefon, C - za slušna pomagala, P - ploča. Galvanske baterije namijenjene za napajanje radijskih prijamnika dobivaju i trgovačke nazive. Galvanske baterije označavaju se lijepljenjem naljepnice na kojoj su naznačeni: naziv ili zaštitni znak proizvođača, simbol galvanske baterije, nazivni napon, početni kapacitet, zajamčeni rok trajanja i kapacitet na kraju roka trajanja.

Pogodnost galvanskih baterija i ćelija utvrđuje se vanjskim pregledom i mjerenjem napona na odvodnicima. Tijekom pregleda treba se uvjeriti da su donji vodiči netaknuti i da nema vanjskih nedostataka: lomova, uništavanja smole za lijevanje (mastiksa), oštećenja i vlaženja kućišta. Napon se provjerava voltmetrom; ne smije biti niža od vrijednosti navedenih u tablici. 2. Galvanske baterije pakiraju se u drvene kutije bruto težine 65-80 kg, iznutra obložene papirom otpornim na vlagu, a od stijenki odvojene slojem suhih strugotina ili drugog materijala za pakiranje. Galvanske baterije moraju se čuvati na suhom i hladnom mjestu. Visoka vlaga u skladištu, kao i visoka temperatura drastično smanjuju njihov vijek trajanja. Niska temperatura nije opasna za galvanske baterije: nakon zagrijavanja potpuno vraćaju svoja svojstva. Galvanske baterije proizvode poduzeća Glavakkumulyatorprom Ministarstva elektroindustrije SSSR-a.

Lit .: Sochevanov V.G., Galvanski elementi, M., 1951; Morozov GG. i Gantmav S.A., Kemijski izvori struje za napajanje komunikacijske opreme, M., 1949.; Konsolidirani katalog kemijskih izvora struje, M., 1950.

Galvanski članak

Dijagram galvanskog članka Daniel-Jacobija

Galvanski članak- temelji se na interakciji dvaju metala i (ili) njihovih oksida u elektrolitu, što dovodi do pojave električne struje u zatvorenom krugu. Ime je dobio po Luigiju Galvaniju.

Fenomen nastanka električne struje pri kontaktu različitih metala otkrio je talijanski fiziolog, profesor medicine na Sveučilištu u Bologni Luigi Galvani 1786. godine. Galvani je opisao kontrakcije mišića stražnjih nogu svježe secirane žabe, pričvršćene na bakrene kuke, kada se dotaknu čeličnim skalpelom. Zapažanja je pronalazač protumačio kao manifestaciju "životinjskog elektriciteta".

Elektrokemijski generatori (gorivne ćelije) su elementi u kojima se kemijska energija pretvara u električnu. Oksidacijsko sredstvo i redukcijsko sredstvo pohranjuju se izvan ćelije te se kontinuirano i odvojeno dovode elektrodama tijekom rada. Tijekom rada gorivne ćelije elektrode se ne troše. Reducirajuće sredstvo je vodik (H 2), metanol (CH 3 OH), metan (CH 4) u tekućem ili plinovitom stanju. Oksidacijsko sredstvo je obično kisik iz zraka ili čisti kisik. U gorivnoj ćeliji kisik-vodik s alkalnim elektrolitom kemijska se energija pretvara u električnu. Elektrane se koriste na svemirskim letjelicama, one daju energiju letjelici i astronautima.

Primjena

• Baterije koristi se u alarmnom sustavu, baterijskim svjetiljkama, satovima, kalkulatorima, audio sustavima, igračkama, radijima, auto opremi, daljinskim upravljačima.
• Baterije koriste se za pokretanje motora automobila, moguće ih je koristiti i kao privremene izvore električne energije u mjestima udaljenim od naselja.
• gorive ćelije koriste se u proizvodnji električne energije (u elektranama), izvorima napajanja u nuždi, autonomnoj opskrbi, transportu, napajanju u vozilu, mobilnim uređajima.

vidi također

Književnost

• Akhmetov N.S. Opća i anorganska kemija
• Aksenovich L. A. Fizika u srednjoj školi: teorija. Zadaci.

Linkovi

Galvanski članak je kemijski izvor električne struje koji se temelji na interakciji dvaju metala i/ili njihovih oksida u elektrolitu, nazvan po talijanskom znanstveniku Luigiju Galvaniju.

Kasnije je znanstvenik sastavio bateriju bakreno-cinkovih ćelija, koja je kasnije nazvana Voltin stup (vidi sliku). Sastojao se od nekoliko desetaka cinčanih i bakrenih šalica, presavijenih u parove i odvojenih krpom namočenom u kiselinu. Ovaj su izum kasnije koristili i drugi znanstvenici u svojim istraživanjima. Tako je, primjerice, 1802. godine ruski akademik V. V. Petrov konstruirao divovsku bateriju od 2100 ćelija, koja je stvarala napon od oko 2500 volti i koristila se za proizvodnju snažnog električnog luka koji je stvarao tako visoku temperaturu da je mogao rastopiti metale.

Postoje galvanske ćelije i druge izvedbe. Razmotrimo drugu bakar-cink galvansku ćeliju, ali ona radi zahvaljujući energiji kemijske reakcije između cinka i otopine bakrenog sulfata (Jacobi-Danielova ćelija). Ovaj element sastoji se od bakrene ploče uronjene u otopinu bakrenog sulfata i cinčane ploče uronjene u otopinu cinkovog sulfata (vidi sliku). Obje otopine su u međusobnom kontaktu, ali da bi se spriječilo miješanje, odvojene su membranskom pregradom od poroznog materijala.

Druga vrsta galvanskih članaka su takozvani "suhi" mangan-cink Leclanche članci (vidi sliku). Umjesto tekućeg elektrolita, takva ćelija koristi gelastu pastu od amonijaka i škroba. Kako bi vlaga što manje isparavala, vrh takvog elementa je ispunjen voskom ili smolom s malom rupom za izlazak plinova. Tipično, Leclanchet elementi se izrađuju u cilindričnim čašama, koje istovremeno služe i kao negativna elektroda i kao posuda.
Svi kemijski izvori struje (galvanske ćelije i baterije iz njih) podijeljeni su u dvije skupine - primarne (za jednokratnu upotrebu) i sekundarne (za višekratnu upotrebu ili reverzibilne). U primarnim izvorima struje (kolokvijalno, baterije) kemijski procesi se odvijaju nepovratno, pa se njihov naboj ne može ponovno napuniti. Baterije su klasificirane kao sekundarni kemijski izvori struje, njihovo punjenje se može obnoviti. Za široko korištene baterije, ciklus punjenja i 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 litijeve baterije imaju nazivni napon od oko 3 V. Električni kapacitet ovisi o mnogim čimbenicima: broju ćelija u bateriji, razini napunjenosti, temperatura okoline, granična struja (pri kojoj uređaj ne radi čak ni s raspoloživim punjenjem). Na primjer, baterija koja više ne radi u fotoaparatu često nastavlja raditi u satovima ili daljinskim upravljačima.
Količina električne energije (napunjenosti) u baterijama mjeri se u amper-satima. Na primjer, ako baterija ima napunjenost od 1 amper-sata, a električni uređaj koji napaja zahtijeva 200 mA, tada se vijek trajanja baterije izračunava na sljedeći način: 1 Ah / 0,2 A = 5 sati.
Zahvaljujući tehnološkom napretku, povećala se raznolikost minijaturnih uređaja na baterije. Za mnoge od njih bile su potrebne jače baterije, dok su bile prilično kompaktne. Litijske baterije postale su odgovor na ovu potrebu: dug vijek trajanja, visoka pouzdanost i izvrsne performanse u širokom temperaturnom rasponu. Do danas su najnapredniji litij-ionski izvori energije. Potencijal ove tehnologije još nije u potpunosti razotkriven, ali s njima su povezani neposredni izgledi.

Od posebne vrijednosti u tehnologiji su nikal-kadmijeve baterije, koje je 1899. godine izumio švedski znanstvenik V. Jungner. Ali tek sredinom 20. stoljeća inženjeri su došli do gotovo moderne sheme za takve zatvorene baterije. Zbog svoje kompaktnosti i autonomije, punjive baterije se koriste u automobilima, vlakovima, računalima, telefonima, fotoaparatima, kamkorderima, kalkulatorima itd.
Glavne karakteristike baterije su njen kapacitet i maksimalna struja. Kapacitet baterije u amper-satima jednak je umnošku granične struje i trajanja pražnjenja. Na primjer, ako baterija može isporučiti struju od 80 mA tijekom 10 sati, tada je kapacitet: 80 mA 10 h = 800 mAh (ili, u međunarodnim uvjetima, 800 mAh, vidi sliku).

Kuznjecova Alla Viktorovna (Samara)

Ministarstvo obrazovanja i znanosti Ruske Federacije

Nacionalno istraživačko nuklearno sveučilište MEPhI

Institut za inženjerstvo i tehnologiju Balakovo

GALVANSKI CLANOVI

Smjernice

na kolegiju "Kemija"

sve oblike obrazovanja

Balakovo 2014

Svrha rada: proučiti princip rada galvanskih članaka.

OSNOVNI KONCEPTI

ELEKTROKEMIJSKI PROCESI NA SUČELJNICI

U čvorovima kristalnih rešetki metala nalaze se ioni atoma. Kada se metal uroni u otopinu, počinje složena interakcija površinskih metalnih iona s molekulama polarnog otapala. Kao rezultat, metal se oksidira, a njegovi hidratizirani (solvatirani) ioni odlaze u otopinu, ostavljajući elektrone u metalu:

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

Metal je negativno nabijen, a otopina pozitivno. Postoji elektrostatička privlačnost između onih koji su prešli u tekućina hidratiziranim kationima i metalnom površinom, a na granici metal-otopina formira se dvostruki električni sloj, karakteriziran određenom razlikom potencijala - potencijal elektrode.

Riža. 1 Dvostruki električni sloj na sučelju metal-otopina

Uz ovu reakciju teče i obrnuta reakcija - redukcija metalnih iona na atome.

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

Pri određenoj vrijednosti potencijala elektrode uspostavlja se ravnoteža:

Me + m H2O
Me (H2O) +ne-

Radi jednostavnosti, voda nije uključena u jednadžbu reakcije:

Mi
Ja 2+ +ne-

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

GALVANSKI CLANOVI

Galvanske ćelije- kemijski izvori električne energije. To su sustavi koji se sastoje od dvije elektrode (vodiči tipa I) uronjene u otopine elektrolita (vodiči tipa II).

Električna energija u galvanskim člancima dobiva se zahvaljujući redoks procesu, s tim da se na jednoj elektrodi odvija odvojeno reakcija oksidacije, a na drugoj reakcija redukcije. Na primjer, kada se cink uroni u otopinu bakrenog sulfata, cink se oksidira, a bakar reducira.

Zn + CuSO 4 \u003d Cu + ZnSO 4

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

Ovu reakciju moguće je provesti na način da su procesi oksidacije i redukcije prostorno odvojeni; tada se prijenos elektrona s redukcijskog sredstva na oksidacijsko sredstvo neće dogoditi izravno, već kroz električni krug. Na sl. 2 prikazuje dijagram Daniel-Jacobijevog galvanskog članka, elektrode su uronjene u otopine soli i nalaze se u stanju električne ravnoteže s otopinama. Cink, kao aktivniji metal, šalje više iona u otopinu od bakra, zbog čega je cinčana elektroda, zbog zaostalih elektrona na njoj, negativnije nabijena od bakrene. Otopine su odvojene pregradom koja je propusna samo za ione u električnom polju. Ako su elektrode međusobno spojene vodičem (bakrenom žicom), tada će elektroni s cinčane elektrode, gdje ih ima više, vanjskim strujnim krugom preći na bakrenu. Postoji kontinuirani tok elektrona – električna struja. Kao rezultat odlaska elektrona s cinkove elektrode, Zn cink počinje prelaziti u otopinu u obliku iona, nadoknađujući gubitak elektrona i time nastojeći uspostaviti ravnotežu.

Elektroda na kojoj se odvija oksidacija naziva se anoda. Elektroda na kojoj se odvija redukcija naziva se katoda.

Anoda (-) Katoda (+)

Riža. 2. Shema galvanskog članka

Tijekom rada elementa bakar-cink događaju se sljedeći procesi:

1) anodni - proces oksidacije cinka Zn 0 - 2e → Zn 2+;

2) katodni - proces redukcije iona bakra Cu 2+ + 2e→Cu 0;

3) kretanje elektrona duž vanjskog kruga;

4) kretanje iona u otopini.

U lijevoj čaši manjak je aniona SO 4 2-, a u desnoj čaši višak. Stoga u unutarnjem krugu radnog galvanskog članka postoji kretanje iona SO 4 2- iz desnog stakla u lijevo staklo kroz membranu.

Sumirajući elektrodne reakcije, dobivamo:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

Na elektrodama se odvijaju sljedeće reakcije:

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 galvanskog članka: (-) Zn/ZnSO 4 | |CuSO 4 /Cu(+)

ili u ionskom obliku: (-) Zn/Zn 2+ | | Cu 2+ /Cu (+), gdje okomita crta označava sučelje između metala i otopine, a dvije linije - sučelje između dvije tekuće faze - poroznu pregradu (ili spojnu cijev ispunjenu otopinom elektrolita).

Maksimalni električni rad (W) tijekom transformacije jednog mola tvari:

W=nF E, (1)

gdje je ∆E elektromotorna sila galvanskog članka;

F je Faradayev broj, jednak 96500 C;

n je naboj metalnog iona.

Elektromotorna sila galvanskog članka može se izračunati kao razlika potencijala između elektroda koje čine galvanski članak:

EMF \u003d E oksid. - E vratiti \u003d E k - E a,

gdje je EMF elektromotorna sila;

E oksidirano. je potencijal elektrode manje aktivnog metala;

E return - potencijal elektrode aktivnijeg metala.

STANDARDNI ELEKTRODNI POTENCIJALI METALA

Apsolutne vrijednosti elektrodnih potencijala metala ne mogu se izravno odrediti, ali se može odrediti razlika elektrodnih potencijala. Da biste to učinili, pronađite razliku potencijala između izmjerene elektrode i elektrode čiji je potencijal poznat. Najčešće korištena referentna elektroda je vodikova elektroda. Stoga se mjeri EMF galvanskog članka koji se sastoji od ispitivane i standardne vodikove elektrode, čiji se potencijal elektrode pretpostavlja da je nula. Sheme galvanskih članaka za mjerenje potencijala metala su sljedeće:

H 2, Pt|H + || Ja n + |Ja

Budući da je potencijal vodikove elektrode uvjetno jednak nuli, tada će EMF mjerenog elementa biti jednak elektrodnom potencijalu metala.

Standardni elektrodni potencijal metala naziva se njegov elektrodni potencijal, koji se javlja kada je metal uronjen u otopinu vlastitog iona s koncentracijom (ili aktivnošću) jednakom 1 mol / l, pod standardnim uvjetima, mjereno u usporedbi sa standardnom vodikovom elektrodom, čiji potencijal pri 25 0 C uvjetno se uzima jednaka nuli. Poredajući metale u nizu kako im se povećavaju standardni elektrodni potencijali (E°), dobivamo takozvane naponske serije.

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

Potencijal elektrode metala uronjenog u otopinu vlastite soli na sobnoj temperaturi ovisi o koncentraciji sličnih iona i određuje se Nernstovom formulom:

, (2)

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

R je univerzalna plinska konstanta, jednaka 8,31 J (mol.K);

F je Faradayev broj;

T - apsolutna temperatura, K;

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

Zamjenom vrijednosti R, F, standardne temperature T = 298 0 K i faktora pretvorbe iz prirodnih logaritama (2,303) u decimalne, dobivamo formulu prikladnu za upotrebu:

(3)

KONCENTRACIJSKI GALVANSKI ELEMENTI

Galvanski članci mogu biti sastavljeni od dvije potpuno identične elektrode uronjene u otopine istog elektrolita, ali različite koncentracije. Takvi elementi se nazivaju koncentracija, na primjer:

(-) Ag | AgNO 3 || AgNO3 | Ag(+)

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

, (4)

gdje je C 1 koncentracija elektrolita u razrijeđenijoj otopini;

C 2 - koncentracija elektrolita u koncentriranijoj otopini

POLARIZACIJA ELEKTRODA

Ravnotežni potencijali elektroda mogu se odrediti u odsutnosti struje u krugu. Polarizacija- promjena potencijala elektrode tijekom prolaska električne struje.

E = E i - E p , (5)

gdje je E - polarizacija;

E i - potencijal elektrode tijekom 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) elektrokemijska; 2) kemijski.

SIGURNOSNI ZAHTJEVI

1. Pokusi s tvarima neugodnog mirisa i otrovnim tvarima moraju se provoditi u napi.

2. Prilikom prepoznavanja razvijenog plina po mirisu, usmjerite mlaz pokretima ruke iz posude prema sebi.

3. Prilikom izvođenja pokusa potrebno je osigurati da reagensi ne dospiju na lice, odjeću i susjeda u blizini.

4. Kada zagrijavate tekućine, posebno kiseline i lužine, držite cijev s otvorom od sebe.

5. Prilikom razrjeđivanja sumporne kiseline ne smije se dodavati voda u kiselinu, kiselinu treba pažljivo, u malim obrocima, sipati u hladnu vodu, miješajući otopinu.

6. Nakon završetka rada temeljito operite ruke.

7. Otpadne otopine kiselina i lužina preporuča se ocijediti u posebno pripremljene posude.

8. Sve boce s reagensima moraju biti začepljene odgovarajućim čepovima.

9. Reagensi preostali nakon rada ne smiju se izlijevati ili sipati u boce s reagensima (kako bi se izbjegla kontaminacija).

Radni nalog

Vježba 1

PROUČAVANJE AKTIVNOSTI METALA

Instrumenti i reagensi: cink, granulat; bakar sulfat CuSO 4, 0,1 N otopina; epruvete.

Uronite komadić granuliranog cinka u 0,1 N otopinu bakrenog sulfata. Ostavite ga da stoji na stativu i gledajte što će se dogoditi. Napiši jednadžbu reakcije. Zaključite koji se metal može uzeti kao anoda, a koji kao katoda za sljedeći pokus.

Zadatak 2

GALVANSKI ĆELEN

Instrumenti i reagensi: Zn, Cu -metali; cink sulfat, ZnSO 4 , 1 M otopina; bakar sulfat CuSO 4, 1 M otopina; kalijev klorid KCl, koncentrirana otopina; galvanometar; naočale; U-cijev, pamuk.

U jednu čašu ulijte do ¾ volumena 1 M otopine soli metala koji je anoda, a u drugu - isti volumen 1 M otopine soli metala koji je katoda. Napunite U-cijev koncentriranom otopinom KCl. Krajeve cijevi zatvorite gustim komadićima vate i spustite ih u obje čaše tako da budu uronjene u pripremljene otopine. U jednu čašu spustite metalnu anodnu ploču, u drugu metalnu katodnu ploču; montirati galvanski članak s galvanometrom. Zatvori strujni krug i na galvanometru označi smjer struje.

Napravite shemu galvanskog članka.

Napišite elektroničke jednadžbe za reakcije koje se odvijaju na anodi i katodi određenog galvanskog članka. Izračunajte emf.

Zadatak 3

ODREĐIVANJE ANODE IZ NAVEDENOG SETA PLOČICA

Instrumenti i reagensi: Zn, Cu, Fe, Al - metali; cink sulfat, ZnSO 4 , 1 M otopina; bakar sulfat CuSO 4, 1 M otopina; aluminijev sulfat Al 2 (SO 4) 3 1 M otopina; željezni sulfat FeSO 4, 1 M otopina; kalijev klorid KCl, koncentrirana otopina; naočale; U-cijev, pamuk.

Sastaviti galvanske parove:

Zn/ZnSO 4 ||FeSO 4 /Fe

Zn/ZnSO 4 || CuSO4 / Cu

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

Od navedenog skupa ploča i otopina soli ovih metala sastavite galvanski član u kojem bi cink bio katoda (2. zadatak).

Sastavite elektroničke jednadžbe za reakcije koje se odvijaju na anodi i katodi sastavljenog galvanskog članka.

Napiši redoks reakciju koja je u osnovi rada ovog galvanskog članka. Izračunajte emf.

DIZAJN IZVJEŠĆA

Laboratorijski dnevnik popunjava se tijekom izvođenja laboratorijske nastave i sadrži:

datum završetka rada;

naziv laboratorijskog rada i njegov broj;

naziv pokusa i svrhu njegova provođenja;

opažanja, jednadžbe reakcija, shema instrumenata;

kontrolna pitanja i zadaci na temu.

KONTROLNI ZADACI

1. Koje su od sljedećih reakcija moguće? Napišite jednadžbe reakcije u molekulskom obliku, sastavite za njih elektroničke jednadžbe:

Zn(NO 3) 2 + Cu →

Zn(NO 3) 2 + Mg →

2. Napraviti dijagram galvanskih članaka za određivanje normalnih elektrodnih potencijala Al/Al 3+ ,Cu/Cu 2+ u paru s normalnom vodikovom elektrodom.

3. Izračunajte EMF galvanskog članka

Zn/ZnSO4 (1M)| |CuSO 4 (2M)

Koji se kemijski procesi odvijaju tijekom rada ovog elementa?

4. Kemijski čisti cink teško reagira s klorovodičnom kiselinom. Kada se kiselini doda olovni nitrat, dolazi do djelomičnog oslobađanja vodika. Objasnite ove pojave. Napišite jednadžbe za reakcije koje se odvijaju.

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

6. Nacrtajte dijagram galvanskog članka koji se temelji na reakciji koja se odvija prema jednadžbi: Ni + Pb (NO 3) 2 \u003d Ni (NO 3) 2 + Pb

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

Vrijeme predviđeno za laboratorijski rad

Književnost

Glavni

1. Glinka. NA. Opća hemija: udžbenik. dodatak za sveučilišta. - M.: Integral - Press, 2005. - 728 str.

2. Korzhukov N. G. Opća i anorganska kemija. – M.: MISIS;

INFRA-M, 2004. - 512 str.

Dodatni

3. Frolov V.V. Kemija: udžbenik. dodatak za sveučilišta. - M .: Više. škola, 2002. -

4. Korovin N.V. Opća kemija: udžbenik za teh. smjer i poseban sveučilišta. - M .: Više. škola, 2002.–559str.: ilustr.

4. Akhmatov N.S. Opća i anorganska kemija: udžbenik za sveučilišta. - 4. izdanje, ispravljeno - M .: Vyssh. škola, 2002. -743 str.

5. Glinka N.A. Zadaci i vježbe iz opće kemije. - M.: Integral-Press, 2001. - 240 str.

6. Metelsky A. V. Kemija u pitanjima i odgovorima: priručnik. - Minsk: Bel.En., 2003. - 544 str.

galvanske ćelije

Smjernice

za laboratorijski rad

na kolegiju "Kemija"

za studente tehničkih smjerova i specijalnosti,

"Opća i anorganska kemija"

za studente smjera "Kemijska tehnologija"

sve oblike obrazovanja

Sastavila: Sinicina Irina Nikolajevna

Timoshina Nina Mikhailovna

Danas su galvanski članci jedni od najčešćih kemijskih članaka.Unatoč svojim nedostacima, aktivno se koriste u elektrotehnici i stalno se poboljšavaju.

Princip rada

Najjednostavniji primjer rada galvanskog članka izgleda ovako. U staklenu posudu s vodenom otopinom sumporne kiseline urone se dvije ploče: jedna je bakar, druga cink. Oni postaju pozitivni i negativni polovi elementa. Ako se ti polovi povežu vodičem, dobiva se najjednostavniji.Unutar elementa struja će teći od cinčane ploče koja ima negativan naboj do bakrene ploče koja je pozitivno nabijena. U vanjskom krugu, kretanje nabijenih čestica će se dogoditi u suprotnom smjeru.

Pod djelovanjem struje, ioni vodika i kiselinski ostatak sumporne kiseline kretat će se u različitim smjerovima. Vodik će svoje naboje predati bakrenoj ploči, a kiselinski ostatak - cinku. Tako će se napon održavati na stezaljkama elementa. Istodobno će se na površini bakrene ploče taložiti mjehurići vodika, što će oslabiti učinak galvanskog članka. Vodik stvara, zajedno s metalom ploče, dodatni napon, koji se naziva elektromotorna sila polarizacije. Smjer naboja ovog EMF-a suprotan je smjeru naboja EMF-a galvanskog članka. Sami mjehurići stvaraju dodatni otpor u elementu.

Element koji smo razmotrili je klasičan primjer. U stvarnosti se takvi galvanski članci jednostavno ne koriste zbog velike polarizacije. Kako bi se to spriječilo, u proizvodnji elemenata u njihov sastav unosi se posebna tvar koja apsorbira atome vodika, što se naziva depolarizator. U pravilu su to pripravci koji sadrže kisik ili klor.

Prednosti i nedostaci suvremenih galvanskih članaka

Moderni galvanski članci izrađuju se od različitih materijala. Najčešći i najpoznatiji tip su ugljično-cink ćelije koje se koriste u prstastim baterijama. Njihove prednosti uključuju relativnu jeftinost, nedostaci su kratki vijek trajanja i mala snaga.

Prikladnija opcija su alkalne galvanske ćelije. Također se nazivaju mangan-cink. Ovdje elektrolit nije suha tvar poput ugljena, već alkalna otopina. Pražnjenjem, takvi elementi praktički ne ispuštaju plin, tako da se mogu zabrtviti. Rok trajanja takvih elemenata veći je od ugljično-cinkovih.

Elementi žive po svojoj su strukturi slični alkalnim elementima. Ovdje se koristi živin oksid. Takvi izvori struje koriste se, primjerice, 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 s istrošenim elementima mora postupati vrlo pažljivo i poslati na recikliranje.

U nekim se elementima srebrni oksid koristi za izradu katoda, ali zbog visoke cijene metala njihova uporaba nije ekonomski isplativa. Ćelije s litijevim anodama su češće. Također se razlikuju po visokoj cijeni, ali imaju najveći napon među svim razmatranim vrstama galvanskih ćelija.

Druga vrsta galvanskih članaka su koncentracijski galvanski članci. U njima se proces gibanja čestica može odvijati sa ili bez prijenosa iona. Prvi tip je element u kojem su dvije identične elektrode uronjene u različitim koncentracijama, odvojene polupropusnom pregradom. U takvim elementima, EMF nastaje zbog činjenice da se ioni prenose u otopinu s nižom koncentracijom. U elementima druge vrste elektrode su izrađene od različitih metala, a koncentracija je izjednačena zbog kemijskih procesa koji se odvijaju na svakoj od elektroda. ovi elementi su viši od elemenata prve vrste.