Uvažujme Jacobi-Danielův galvanický článek (obvod je na obr. 2). Skládá se ze zinkové desky ponořené do roztoku síranu zinečnatého a měděné desky ponořené do roztoku síranu měďnatého. Aby se zabránilo přímé interakci mezi oxidačním činidlem a redukčním činidlem, jsou elektrody od sebe odděleny porézní přepážkou.
V galvanickém článku je elektroda z aktivnějšího kovu, tzn. kov, umístěný vlevo v řadě napětí, se nazývá anoda a elektrodu vyrobenou z méně aktivního kovu - katoda.
Na povrchu zinkové elektrody (anody) se objeví dvojitá elektrická vrstva a ustaví se rovnováha:
Zn 0–2 ē ←→ Zn2+.
V důsledku tohoto procesu vzniká elektrodový potenciál zinku.
Na povrchu měděné elektrody (katody) se také objeví dvojitá elektrická vrstva a ustaví se rovnováha:
Cu 2+ + 2 ē ←→ Cu 0 .
V důsledku toho vzniká elektrodový potenciál mědi.
Jelikož potenciál zinkové elektrody má zápornější hodnotu než potenciál měděné elektrody, při uzavření vnějšího obvodu, tzn. při připojení zinku k mědi kovovým vodičem se elektrony přesunou ze zinku na měď. V důsledku tohoto procesu se rovnováha na zinkové elektrodě posune doprava, takže do roztoku přejde další množství iontů zinku. Současně se rovnováha na měděné elektrodě posune doleva a ionty mědi se vybijí.
Když je tedy vnější okruh uzavřen, dochází k samovolným procesům rozpouštění zinku na zinkové elektrodě a precipitaci mědi na měděné elektrodě. Tyto procesy budou pokračovat, dokud se potenciály nevyrovnají nebo dokud se veškerý zinek nerozpustí nebo se všechna měď vysráží na měděné elektrodě.
Takže během provozu galvanického článku Jacobi-Daniel následující procesy:
1. Anodový proces, oxidační proces:
Zn 0–2 ē → Zn2+.
2. Katodický proces, proces regenerace:
Cu 2+ + 2 ē → Cu 0 .
3. Pohyb elektronů ve vnějším obvodu.
4. Pohyb iontů v roztoku: anionty SO 4 2– k anodě, kationty Cu 2+ ke katodě. Pohyb iontů v roztoku uzavírá elektrický obvod galvanického článku.
Shrneme-li elektrodové reakce, dostaneme:
Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu.
V důsledku této reakce v galvanickém článku dochází k pohybu elektronů ve vnějším obvodu a iontů uvnitř článku, tzn. elektřina. Proto se nazývá celková chemická reakce probíhající v galvanickém článku proudotvorná reakce.
Elektrický proud v galvanickém článku vzniká v důsledku redoxní reakce, která probíhá tak, že oxidační a redukční procesy jsou prostorově odděleny: oxidační proces probíhá na záporné elektrodě (anodě), redukční proces probíhá na kladné elektrodě (katodě).
Nezbytnou podmínkou pro činnost galvanického článku je potenciálový rozdíl elektrod. Maximální potenciálový rozdíl elektrod, který lze získat při provozu galvanického článku, se nazývá elektromotorická síla (EMF) článku. Rovná se rozdílu mezi potenciálem katody a potenciálem anody prvku:
EMF = E Komu - E A. (1)
EMF prvku je považováno za pozitivní, pokud reakce generující proud v tomto směru probíhá spontánně. Pozitivní EMF také odpovídá určitému pořadí v záznamu obvodu prvku: elektroda napsaná vlevo musí být negativní. Například schéma prvků Jacobi-Daniel je napsáno takto:
Zn │ ZnSO 4 ║ CuSO 4 │ Cu.
1.4. Rovnice elektrodového potenciálu (Nernstova rovnice)
V důsledku studia potenciálů různých elektrodových procesů bylo zjištěno, že jejich hodnoty závisí na následujících faktorech:
1) o povaze látek - účastníků elektrodového procesu;
2) na poměru mezi koncentracemi (aktivitami) těchto látek;
3) na teplotě systému.
Za standardních podmínek (teplota 298 K nebo 25 °C, tlak 101,3 kPa nebo 1 atm, molární koncentrace roztoku elektrolytu 1 mol/l) mají elektrodové potenciály určité standardní hodnoty. Pokud se koncentrace elektrolytu nebo teplota liší od standardu, lze potenciál elektrod vypočítat ze standardních potenciálů pomocí Nernstovy rovnice:
E Vůl/Červený= E 0 Ox/Red + ln , (2)
Kde T - absolutní teplota (273 + t), TO; F- Faradayovo číslo (96485 C/mol); n- počet elektronů zapojených do oxidačně-redukční reakce; [Ox] je koncentrace oxidované formy (u kovové elektrody je to koncentrace kovových iontů v roztoku), mol/l; - koncentrace obnovené formy; R- univerzální plynová konstanta (8,314 J/mol deg).
Při teplotě 25 °C a za předpokladu, že redukovaná forma představuje kov v elementárním stavu, lze použít následující rovnici
E Vůl/Červený= E 0 Ox/Red + lg S Vůl, (3)
Kde S Ox - koncentrace kovových iontů v roztoku, mol/l.
Příklad. Vypočítejte EMF galvanického článku tvořeného zinkovou elektrodou ponořenou v 0,01M roztoku dusičnanu zinečnatého Zn(NO 3) 2 a stříbrnou elektrodou ponořenou v 0,001M roztoku dusičnanu stříbrného AgNO 3. Teplota 25 °C. Uveďte schematické znázornění prvku a zapište elektrodové procesy probíhající na katodě a anodě.
Řešení. Porovnáním standardních redukčních potenciálů zinku a stříbra zjistíme, že stříbrná elektroda bude fungovat jako katoda v uvedeném galvanickém článku a zinková elektroda bude fungovat jako anoda.
Schematické znázornění tohoto galvanického článku:
Zn │ Zn(NO 3) 2 ║ AgNO 3 │ Ag.
Anodový proces: Zn 0 – 2 ē → Zn2+.
Katodický proces: Ag++ ē → Ag0 .
EMF galvanického článku se vypočítá podle vzorce (1) a potenciál katody a anody se vypočítá pomocí Nernstovy rovnice ve zjednodušené formě (3):
E Zn 2 + / Zn 0 \u003d - 0,762 + lg0,01 \u003d - 0,82 B
E Ag + / Ag 0 \u003d - 0,90 + log0,001 \u003d + 0,62 B
EMF \u003d 0,62 - (-0,82) \u003d 1,44 V.
Vznik e. d.s. v galvanickém článku. Nejjednodušší měděno-zinkový galvanický článek Volta (obr. 156) se skládá ze dvou desek (elektrod): zinku 2 (katoda) a mědi 1 (anoda), spuštěných do elektrolytu 3, který je vodní roztok kyselina sírová H2S04. Při rozpuštění kyseliny sírové ve vodě dochází k procesu elektrolytické disociace, tj. část molekul kyseliny se rozkládá na kladné vodíkové ionty H 2 + a záporné ionty zbytku kyseliny S0 4 -. Současně se zinková elektroda rozpustí v kyselině sírové. Když je tato elektroda rozpuštěna, kladné ionty zinku Zn+ přecházejí do roztoku a spojují se se zápornými ionty SO 4 - zbytek kyseliny, tvoří neutrální molekuly síranu zinečnatého ZnSO4. V tomto případě se zbývající volné elektrony nahromadí na zinkové elektrodě, v důsledku čehož tato elektroda získá záporný náboj. V elektrolytu se vytváří kladný náboj v důsledku neutralizace některých záporných iontů S0 4 . V mezní vrstvě mezi zinkovou elektrodou a elektrolytem tak vzniká určitý potenciálový rozdíl a vzniká elektrické pole, které brání dalšímu přechodu kladných iontů zinku do elektrolytu; současně se zastaví rozpouštění zinkové elektrody. Měděná elektroda se v elektrolytu prakticky nerozpouští a získává stejný kladný potenciál jako elektrolyt. Potenciální rozdíl mědi? Cu a zinek? Zn elektrody s otevřeným vnějším obvodem je např. d.s. E uvažovaného galvanického článku.
E. d. s vytvořené galvanickým článkem závisí na chemické vlastnosti elektrolyt a kovy, ze kterých jsou elektrody vyrobeny. Obvykle se volí takové kombinace kovů a elektrolytu, ve kterých např. d.s. největší však téměř ve všech použitých prvcích nepřesahuje 1,1 -1,5 V.
Po připojení k elektrodám galvanického článku libovolného přijímače elektrické energie (viz obr. 156) začne vnějším obvodem protékat proud I od měděné elektrody (kladný pól prvku) k elektrodě zinkové (záporný pól). V elektrolytu se v tomto okamžiku začnou kladné ionty zinku Zn + a vodík H 2 + přesouvat ze zinkové desky na měď a záporné ionty zbytku kyseliny S0 4 - z měděné desky na zinek. V důsledku toho bude narušena rovnováha elektrických nábojů mezi elektrodami a elektrolytem, v důsledku čehož začnou do elektrolytu z katody opět proudit kladné ionty zinku, které na této elektrodě udržují záporný náboj; nové kladné ionty se ukládají na měděnou elektrodu. Mezi anodou a katodou tedy bude vždy existovat potenciální rozdíl nutný pro průchod proudu elektrickým obvodem.
Polarizace. Uvažovaný galvanický článek Volty nemůže dlouhodobě fungovat kvůli škodlivému jevu polarizace, který se v něm vyskytuje. Podstata tohoto jevu je následující. Kladné vodíkové ionty H2+, směřující k měděné elektrodě 1, interagují s volnými elektrony na ní přítomnými a mění se na neutrální atomy vodíku. Tyto atomy pokrývají povrch měděné elektrody souvislou vrstvou 4, což zhoršuje činnost galvanického článku ze dvou důvodů. Nejprve se objeví další em mezi vrstvou vodíku a elektrolytem. d.s. (emf polarizace), směřující proti hlavnímu e. d.s. prvek, takže jeho výsledný e. d.s. E se snižuje. Za druhé, vodíková vrstva odděluje měděnou elektrodu od elektrolytu a brání novým kladným iontům, aby se k ní přiblížily. Tím se prudce zvyšuje vnitřní odpor galvanického článku.
Pro boj s polarizací ve všech galvanických článcích jsou kolem kladné elektrody umístěny speciální látky - depolarizátory které snadno chemicky reagují s vodíkem. Absorbují vodíkové ionty přibližující se ke kladné elektrodě, čímž brání jejich usazování na této elektrodě.
Průmysl vyrábí galvanické články různých typů (s různými elektrodami a elektrolyty) s různými konstrukcemi. Nejběžnější jsou uhlíkovo-zinkové články, ve kterých jsou uhlíková a zinková elektroda ponořena do vodného roztoku chloridu amonného (amoniaku) nebo kuchyňské soli a jako depolarizátor se používá peroxid manganu.
suché věci. Variantou galvanického článku je suchý článek (obr. 157), používaný v bateriích kapesních elektrických svítilen, rádiových přijímačů apod. V tomto článku je kapalný elektrolyt nahrazen pastovitou hmotou skládající se z roztoku čpavku smíchaného s pilinami a škrobem a zinková elektroda je vyrobena ve formě válcového pouzdra použitého jako elektroda a uhlíková nádoba, ve které je umístěna elektroda. Pro odstranění plynů vznikajících při provozu prvku je v něm uspořádána výstupní trubice plynu.
Kapacita. Schopnost chemických zdrojů proudu vydávat elektrickou energii je charakterizována jejich kapacitou. Kapacita označuje množství elektřiny uložené v galvanických článcích nebo bateriích. Kapacita se měří v ampérhodinách. Jmenovitá kapacita zdroje chemického proudu je rovna součinu jmenovitého (vypočteného) vybíjecího proudu (v ampérech) vydávaného chemickým zdrojem proudu, když je k němu připojena zátěž, časem (v hodinách) do jeho e. d.s. nedosáhne minimální přípustné hodnoty. Při delším provozu se množství elektřiny, které může galvanický článek vydat, snižuje, protože aktivní prvky v něm přítomné jsou postupně spotřebovávány. chemické substance, zajišťující výskyt e. d.s; při snižování e. d.s. prvku a jeho kapacita a jeho vnitřní odpor se zvyšuje.
Galvanický článek má jmenovitou kapacitu pouze tehdy, pokud od jeho výroby uplynula relativně krátká doba. Kapacita galvanického článku se postupně snižuje, i když nevydává elektrickou energii (po 10-12 měsících skladování se kapacita suchých článků sníží o 20-30%). To je vysvětleno tím chemické reakce v takových buňkách nepřetržitě proudí a aktivní chemikálie v nich uložené jsou neustále spotřebovávány.
Pokles kapacity chemických zdrojů proudu v čase se nazývá samovybíjení. Kapacita galvanického článku se také snižuje při jeho vybíjení velkým proudem.
Aby bylo možné sestavit schéma galvanického článku, je nutné pochopit princip jeho působení, strukturální vlastnosti.
Spotřebitelé jen zřídka věnují pozornost akumulátorům a bateriím, zatímco tyto zdroje proudu jsou nejžádanější.
Chemické zdroje proudu
Co je to galvanický článek? Jeho obvod je založen na elektrolytu. Zařízení obsahuje malou nádobku, kde je umístěn elektrolyt, adsorbovaný materiálem separátoru. Schéma dvou galvanických článků navíc předpokládá přítomnost Jak se takový galvanický článek jmenuje? Schéma spojující dva kovy dohromady naznačuje přítomnost redoxní reakce.
Nejjednodušší galvanický článek
Znamená to přítomnost dvou desek nebo tyčí vyrobených z různých kovů, které jsou ponořeny do silného roztoku elektrolytu. Při provozu tohoto galvanického článku probíhá na anodě oxidační proces spojený s návratem elektronů.
Na katodě - redukce, doprovázená přijetím negativních částic. Dochází k přenosu elektronů po vnějším okruhu do oxidačního činidla z redukčního činidla.
Příklad galvanického článku
Pro sestavení elektronických obvodů galvanických článků je nutné znát hodnotu jejich standardního elektrodového potenciálu. Analyzujme variantu měděno-zinkového galvanického článku fungujícího na základě energie uvolněné při interakci síranu měďnatého se zinkem.
Tento galvanický článek, jehož schéma bude uvedeno níže, se nazývá Jacobi-Danielův článek. Zahrnuje, který je ponořen do roztoku síranu měďnatého (měděná elektroda), a také se skládá ze zinkové desky v roztoku jejího síranu (zinková elektroda). Roztoky jsou ve vzájemném kontaktu, ale aby se zabránilo jejich smíchání, je v prvku použita přepážka z porézního materiálu.
Princip fungování
Jak funguje galvanický článek, jehož obvod je Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Při jeho provozu, kdy je elektrický obvod uzavřen, dochází k procesu oxidace kovového zinku.
Na jeho kontaktní ploše s roztokem soli je pozorována přeměna atomů na kationty Zn2+. Proces je doprovázen uvolňováním „volných“ elektronů, které se pohybují po vnějším obvodu.
Reakci probíhající na zinkové elektrodě lze znázornit takto:
Redukce kovových kationtů se provádí na měděné elektrodě. Negativní částice, které sem vstupují ze zinkové elektrody, se spojují s kationty mědi a ukládají je ve formě kovu. Tento proces vypadá takto:
Sečteme-li dvě výše diskutované reakce, dostaneme souhrnnou rovnici, která popisuje činnost zinko-měděného galvanického článku.
Anoda je zinková elektroda, katoda je měděná. Moderní galvanické články a baterie vyžadují použití jediného roztoku elektrolytu, což rozšiřuje rozsah jejich použití, činí jejich obsluhu pohodlnější a pohodlnější.
Odrůdy galvanických článků
Nejběžnější jsou uhlíkovo-zinkové prvky. Používají pasivní uhlíkový sběrač proudu v kontaktu s anodou, což je oxid manganu (4). Elektrolytem je chlorid amonný používaný ve formě pasty.
Nešíří se, proto se samotný galvanický článek nazývá suchý. Jeho vlastností je schopnost „regenerace“ během provozu, což má pozitivní vliv na délku jejich provozní doby. Takové galvanické články mají nízkou cenu, ale nízký výkon. Při poklesu teploty snižují svoji účinnost a při jejím vzestupu elektrolyt postupně vysychá.
Alkalické prvky zahrnují použití alkalického roztoku, takže mají poměrně málo aplikací.
V lithiových článcích působí aktivní kov jako anoda, což má pozitivní vliv na životnost. Lithium má zápor, proto při malých rozměrech mají takové prvky maximální jmenovité napětí. Mezi nevýhody takových systémů patří vysoká cena. Otevření lithiových zdrojů proudu je výbušné.
Závěr
Princip činnosti každého galvanického článku je založen na redoxních procesech probíhajících na katodě a anodě. V závislosti na použitém kovu, zvoleném roztoku elektrolytu se mění životnost prvku a také hodnota jmenovitého napětí. V současné době jsou žádané lithiové, kadmiové galvanické články s dostatečně dlouhou životností.
Příkladem chemického galvanického článku je Jacobi-Danielův článek (obr. 6). Skládá se z měděné elektrody (měděná deska ponořená v roztoku CuSO 4) a zinkové elektrody (zinková deska ponořená v roztoku ZnSO 4). Na povrchu zinkové desky se objeví DES a ustaví se rovnováha
Zn ⇄ Zn 2+ + 2ē
V tomto případě vzniká elektrodový potenciál zinku a elektrodový obvod bude vypadat jako Zn|ZnSO 4 nebo Zn|Zn 2+ .
Podobně se DES objeví také na měděné desce a ustaví se rovnováha
Cu ⇄ Cu 2+ + 2ē
Vznikne tedy elektrodový potenciál mědi a elektrodový obvod bude vypadat jako Cu|CuSO 4 nebo Cu|Cu 2+.
Na Zn elektrodě (elektrochemicky aktivnější) probíhá oxidační proces: Zn - 2ē → Zn 2+. Na Cu-elektrodě (elektrochemicky méně aktivní) probíhá redukční proces: Cu 2+ + 2ē → Cu.
Rýže. 6 Schéma měděnozinkového galvanického článku
Celková rovnice elektrochemické reakce:
Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu
nebo Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu
Protože obvod chemického galvanického článku je napsán podle pravidla „správné plus“, bude obvod Jacobi-Danielova článku vypadat takto
Dvojitý pruh v diagramu označuje elektrolytický kontakt mezi elektrodami, obvykle prováděný pomocí solného můstku.
V mangan-zinkovém galvanickém článku (obr. 7), stejně jako v měděno-zinkovém, slouží zinková elektroda jako anoda. Kladná elektroda je lisována ze směsi oxidu manganičitého s grafitem a acetylenovými sazemi ve formě „aglomerátového“ sloupce, v jehož středu je umístěna uhlíková tyč - sběrač proudu.
Rýže. 7 Schéma suchého mangano-zinkového článku
1 - anoda (zinkový pohár), 2 - katoda (směs oxidu manganičitého s grafitem), 3 - grafitový sběrač proudu s kovovým uzávěrem,
4 - elektrolyt
Elektrolyt používaný v mangano-zinkových článcích obsahujících chlorid amonný má v důsledku hydrolýzy NH 4 CI mírně kyselou reakci. V kyselém elektrolytu probíhá na kladné elektrodě proces generování proudu:
МnO 2 + 4Н + + 2ē → Мn 2+ + 2Н 2 O
V elektrolytu s pH 7-8 je příliš málo vodíkových iontů a reakce začíná probíhat za účasti vody:
MnO 2 + H 2 O + ē → MnOOH + OH -
MnOOH je nekompletní hydroxid manganatý (III) - manganit.
Jak se vodíkové ionty spotřebovávají v procesu tvorby proudu, elektrolyt se stává kyselým, neutrálním nebo dokonce zásaditým. Není možné udržet kyselou reakci v solném elektrolytu během vybíjení prvků. Do solného elektrolytu není možné přidat kyselinu, protože to způsobí silné samovybíjení a korozi zinkové elektrody. Jak se manganit hromadí na elektrodě, může částečně reagovat s ionty zinku vzniklými při vybíjení zinkové elektrody. V tomto případě se získá těžko rozpustná sloučenina - hetaaerolit a roztok se okyselí:
2MnOOH + Zn 2+ → ZnO∙Mn 2 O 3 + 2Н +
Tvorba hetaaerolitu zabraňuje přílišnému zalkalizování elektrolytu při vybíjení článku.
Kromě elektrolýzy je možná i jiná varianta proudění redoxní reakce. V tomto případě elektrony z redukčního činidla do oxidačního činidla procházejí kovovým vodičem přes vnější elektrický obvod. V důsledku toho se ve vnějším obvodu objeví elektrický proud a takové zařízení se nazývá galvanický prvek. Galvanické články jsou chemické zdroje proudu- zařízení pro přímou přeměnu chemické energie na energii elektrickou, obcházení jejích ostatních forem.
Galvanické články na bázi různých kovů a jejich sloučenin našly široké uplatnění. praktické využití jako chemické zdroje proudu.
V galvanickém článku se chemická energie přeměňuje na elektrickou energii. Nejjednodušší galvanický článek se skládá ze dvou nádob s roztoky CuSO 4 a ZnSO 4, ve kterých jsou ponořeny měděné a zinkové desky. Nádoby jsou propojeny trubicí zvanou solný můstek naplněnou roztokem elektrolytu (například KCl). Takový systém se nazývá galvanický prvek měď-zinek.
Schematicky jsou procesy probíhající v měděno-zinkovém galvanickém článku, nebo jinými slovy v obvodu galvanického článku, znázorněny na obrázku níže.
Schéma galvanického článku
K oxidaci zinku dochází na anodě:
Zn - 2e - \u003d Zn 2+.
V důsledku toho se atomy zinku mění na ionty, které přecházejí do roztoku a zinková anoda se rozpouští a její hmotnost klesá. Všimněte si, že anoda v galvanickém článku je záporná elektroda (kvůli elektronům přijatým z atomů zinku), na rozdíl od procesu elektrolýzy, kde je připojena ke kladnému pólu externí baterie.
Elektrony z atomů zinku se pohybují po vnějším elektrickém obvodu (kovovém vodiči) ke katodě, kde probíhá proces redukce iontů mědi z roztoku jeho soli:
Cu 2+ + 2e - \u003d Cu.
V důsledku toho vznikají atomy mědi, které se ukládají na povrchu katody a její hmotnost se zvyšuje. Katoda v galvanickém článku je kladně nabitá elektroda.
Celková rovnice reakce probíhající v měděno-zinkovém galvanickém článku může být reprezentována následovně:
Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu.
Ve skutečnosti probíhá reakce nahrazení mědi zinkem v její soli. Stejnou reakci lze provést i jiným způsobem - ponořením zinkové desky do roztoku CuSO 4 . V tomto případě se tvoří stejné produkty - ionty mědi a zinku. Rozdíl mezi reakcí v měděno-zinkovém galvanickém článku je v tom, že procesy zpětného rázu a přichycení elektronů jsou prostorově odděleny. K procesům zpětného rázu (oxidace) a přichycení (redukce) elektronů nedochází při přímém kontaktu atomu Zn s iontem Cu 2+, ale na různých místech systému - respektive na anodě a na katodě, které jsou spojeny kovovým vodičem. Při tomto způsobu provádění této reakce se elektrony pohybují od anody ke katodě po vnějším obvodu, kterým je kovový vodič. Usměrněný a uspořádaný tok nabitých částic (v tomto případě elektronů) je elektřina. Ve vnějším obvodu galvanického článku vzniká elektrický proud. Pro hlasování musíte mít povolen JavaScript
