Դիտարկենք Jacobi-Daniel գալվանական բջիջը (շղթան ներկայացված է Նկար 2-ում): Այն բաղկացած է ցինկի ափսեից՝ ընկղմված ցինկի սուլֆատի լուծույթի մեջ և պղնձի ափսեից՝ ընկղմված պղնձի սուլֆատի լուծույթի մեջ։ Օքսիդացնող նյութի և վերականգնող նյութի անմիջական փոխազդեցությունը կանխելու համար էլեկտրոդները միմյանցից բաժանվում են ծակոտկեն միջնորմով:

Գալվանական բջիջում ավելի ակտիվ մետաղից պատրաստված էլեկտրոդ, այսինքն. մետաղը, որը գտնվում է ձախ կողմում մի շարք լարումների մեջ, կոչվում է անոդև ավելի քիչ ակտիվ մետաղից պատրաստված էլեկտրոդ. կաթոդ.

Ցինկի էլեկտրոդի (անոդի) մակերեսին առաջանում է կրկնակի էլեկտրական շերտ և հաստատվում է հավասարակշռություն.

Zn 0 – 2 ē ←→ Zn2+.

Այս գործընթացի արդյունքում առաջանում է ցինկի էլեկտրոդային ներուժը։

Պղնձի էլեկտրոդի (կաթոդի) մակերեսին նույնպես առաջանում է կրկնակի էլեկտրական շերտ և հավասարակշռություն է հաստատվում.

Cu 2+ + 2 ē ←→ Cu 0.

Արդյունքում առաջանում է պղնձի էլեկտրոդային ներուժը։

Քանի որ ցինկի էլեկտրոդի պոտենցիալը ավելի բացասական արժեք ունի, քան պղնձի էլեկտրոդի պոտենցիալը, երբ արտաքին միացումը փակ է, այսինքն. ցինկը պղնձին մետաղական հաղորդիչով միացնելիս էլեկտրոնները ցինկից կտեղափոխվեն պղինձ: Այս գործընթացի արդյունքում ցինկի էլեկտրոդի վրա հավասարակշռությունը տեղափոխվում է աջ, ուստի ցինկի իոնների լրացուցիչ քանակություն կանցնի լուծույթ։ Միևնույն ժամանակ, պղնձի էլեկտրոդի վրա հավասարակշռությունը կտեղափոխվի ձախ, և պղնձի իոնները կթափվեն:

Այսպիսով, երբ արտաքին շղթան փակ է, տեղի են ունենում ցինկի էլեկտրոդի վրա ցինկի տարրալուծման ինքնաբուխ գործընթացներ և պղնձի էլեկտրոդի վրա պղնձի տեղումներ: Այս պրոցեսները կշարունակվեն այնքան ժամանակ, մինչև պոտենցիալները չհավասարվեն կամ ամբողջ ցինկը չլուծվի կամ պղնձի էլեկտրոդի վրա պղնձի նստվածքը չհայտնվի:

Այսպիսով, Յակոբի-Դանիել գալվանական բջիջի շահագործման ժամանակ, հետևյալ գործընթացները:

1. Անոդ գործընթաց, օքսիդացման գործընթաց.

Zn 0 – 2 ē → Zn2+.

2. Կաթոդիկ գործընթաց, վերականգնման գործընթաց.

Cu 2+ + 2 ē → Cu 0.

3. Էլեկտրոնների շարժումը արտաքին շղթայում:

4. Իոնների տեղաշարժը լուծույթում՝ SO 4 2– անիոններ դեպի անոդ, Cu 2+ կատիոններ դեպի կաթոդ։ Լուծման մեջ իոնների շարժումը փակում է գալվանական բջիջի էլեկտրական շղթան։

Ամփոփելով էլեկտրոդների ռեակցիաները՝ ստանում ենք.

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu.

Այս ռեակցիայի արդյունքում գալվանական բջիջում տեղի է ունենում էլեկտրոնների շարժում արտաքին շղթայում և իոնների շարժումը բջջի ներսում, այսինքն. էլեկտրաէներգիա։ Հետևաբար, գալվանական բջիջում տեղի ունեցող ընդհանուր քիմիական ռեակցիան կոչվում է հոսանքի ձևավորման ռեակցիա.

Էլեկտրական հոսանքը գալվանական բջիջում առաջանում է ռեդոքս ռեակցիայի պատճառով, որն ընթանում է այնպես, որ օքսիդացման և վերականգնողական գործընթացները տարածականորեն բաժանվում են. էլեկտրոդ (կաթոդ):

Գալվանական բջիջի աշխատանքի համար անհրաժեշտ պայման է էլեկտրոդների պոտենցիալ տարբերությունը։ Էլեկտրոդների առավելագույն պոտենցիալ տարբերությունը, որը կարելի է ձեռք բերել գալվանական բջիջի աշխատանքի ընթացքում, կոչվում է բջիջի էլեկտրաշարժիչ ուժ (EMF): Այն հավասար է կաթոդի և տարրի անոդի ներուժի տարբերությանը.

EMF = Եդեպի - Եա. (1)

Տարրի EMF-ը համարվում է դրական, եթե այս ուղղությամբ հոսանք առաջացնող ռեակցիան ընթանում է ինքնաբուխ: Դրական EMF-ը նույնպես համապատասխանում է տարրի միացման գրառման որոշակի կարգի՝ ձախ կողմում գրված էլեկտրոդը պետք է լինի բացասական: Օրինակ, Յակոբի-Դանիել տարրերի սխեման գրված է հետևյալ կերպ.

Zn │ ZnSO 4 ║ CuSO 4 │ Cu.

1.4. Էլեկտրոդի պոտենցիալ հավասարում (Ներնստի հավասարում)

Տարբեր էլեկտրոդային գործընթացների պոտենցիալների ուսումնասիրության արդյունքում պարզվել է, որ դրանց արժեքները կախված են հետևյալ գործոններից.

1) նյութերի բնույթի մասին՝ էլեկտրոդային գործընթացի մասնակիցներ.

2) այդ նյութերի կոնցենտրացիաների (ակտիվության) հարաբերակցության վրա.

3) համակարգի ջերմաստիճանի վրա.

Ստանդարտ պայմաններում (ջերմաստիճանը 298 Կ կամ 25 °C, ճնշում 101,3 կՊա կամ 1 ատմ, էլեկտրոլիտային լուծույթի մոլային կոնցենտրացիան 1 մոլ/լ), էլեկտրոդի պոտենցիալները ունեն որոշակի ստանդարտ արժեքներ։ Եթե ​​էլեկտրոլիտի կոնցենտրացիան կամ ջերմաստիճանը տարբերվում է ստանդարտից, էլեկտրոդի պոտենցիալները կարող են հաշվարկվել ստանդարտ պոտենցիալներից՝ օգտագործելով Nernst հավասարումը.

ԵԵզ/Կարմիր= Ե 0 Ox/Red + ln , (2)

Որտեղ Տ - բացարձակ ջերմաստիճան (273 + տ), TO; Ֆ- Faraday համարը (96485 C / մոլ); n- օքսիդացում-վերականգնման ռեակցիայի մեջ ներգրավված էլեկտրոնների քանակը. [Ox]-ը օքսիդացված ձևի կոնցենտրացիան է (մետաղական էլեկտրոդի համար սա մետաղի իոնների կոնցենտրացիան է լուծույթում), մոլ/լ; - վերականգնված ձևի կոնցենտրացիան; Ռ- ունիվերսալ գազի հաստատուն (8,314 Ջ/մոլ աստիճան):

25 °C ջերմաստիճանում և պայմանով, որ կրճատված ձևը ներկայացնում է մետաղը տարրական վիճակում, կարող է օգտագործվել հետևյալ հավասարումը.

ԵԵզ/Կարմիր= Ե 0 Ox/Red + lg ՀԵՏԵզ, (3)

Որտեղ ՀԵՏԵզ - մետաղի իոնների կոնցենտրացիան լուծույթում, մոլ/լ.

Օրինակ. Հաշվեք գալվանական բջիջի EMF-ը, որը ձևավորվել է ցինկի էլեկտրոդով, որը ընկղմված է ցինկի նիտրատի Zn(NO 3) 2 0,01 մ լուծույթով և արծաթի էլեկտրոդով, որը ընկղմված է 0,001 մ արծաթի նիտրատի AgNO 3 լուծույթում: Ջերմաստիճանը 25 °C: Տրե՛ք տարրի սխեմատիկ պատկերը և գրե՛ք էլեկտրոդների պրոցեսները, որոնք տեղի են ունենում կաթոդում և անոդում:

Լուծում.Համեմատելով ցինկի և արծաթի ստանդարտ նվազեցման պոտենցիալները՝ մենք գտնում ենք, որ արծաթե էլեկտրոդը կգործի որպես կաթոդ նշված գալվանական խցում, իսկ ցինկի էլեկտրոդը՝ որպես անոդ:

Այս գալվանական բջիջի սխեմատիկ պատկերը.

Zn │ Zn(NO 3) 2 ║ AgNO 3 │ Ag.

Անոդային պրոցեսը` Zn 0 – 2 ē → Zn2+.

Կաթոդիկ գործընթաց՝ Ag++ ē → Ag0.

Գալվանական բջիջի EMF-ը հաշվարկվում է (1) բանաձևով, իսկ կաթոդի և անոդի պոտենցիալները հաշվարկվում են Nernst հավասարմամբ պարզեցված ձևով (3).

Ե Zn 2 + / Zn 0 \u003d - 0,762 + lg0,01 \u003d - 0,82 B

Ե Ag + / Ag 0 \u003d - 0,90 + log0,001 \u003d + 0,62 B

EMF \u003d 0.62 - (-0.82) \u003d 1.44 Վ.

առաջացումը էլ. դ.ս. գալվանական խցում:Ամենապարզ պղինձ-ցինկ գալվանական բջիջը Volta (Նկար 156) բաղկացած է երկու թիթեղներից (էլեկտրոդներից)՝ ցինկ 2 (կաթոդ) և պղինձ 1 (անոդ), իջեցված էլեկտրոլիտ 3-ի մեջ, որը ջրի լուծույթծծմբաթթու H 2 S0 4. Երբ ծծմբաթթուն լուծվում է ջրի մեջ, տեղի է ունենում էլեկտրոլիտիկ տարանջատման գործընթացը, այսինքն, թթվի մոլեկուլների մի մասը քայքայվում է դրական ջրածնի իոնների H 2 + և թթվային մնացորդի բացասական իոնների S0 4 -: Միաժամանակ ցինկի էլեկտրոդը լուծվում է ծծմբաթթվի մեջ։ Երբ այս էլեկտրոդը լուծարվում է, Zn+ ցինկի դրական իոնները մտնում են լուծույթ և միանում SO 4 բացասական իոնների հետ՝ թթվային մնացորդը՝ ձևավորելով ZnSO4 ցինկի սուլֆատի չեզոք մոլեկուլներ։ Այս դեպքում մնացած ազատ էլեկտրոնները կկուտակվեն ցինկի էլեկտրոդի վրա, ինչի արդյունքում այս էլեկտրոդը բացասական լիցք է ստանում։ Էլեկտրոլիտում դրական լիցք է առաջանում S0 4 որոշ բացասական իոնների չեզոքացման պատճառով։ Այսպիսով, ցինկի էլեկտրոդի և էլեկտրոլիտի միջև սահմանային շերտում առաջանում է որոշակի պոտենցիալ տարբերություն և ստեղծվում է էլեկտրական դաշտ, որը կանխում է դրական ցինկի իոնների հետագա անցումը էլեկտրոլիտի մեջ. միևնույն ժամանակ ցինկի էլեկտրոդի տարրալուծումը դադարում է։ Պղնձի էլեկտրոդը գործնականում չի լուծվում էլեկտրոլիտում և ձեռք է բերում նույն դրական պոտենցիալը, ինչ էլեկտրոլիտը: Պղնձի պոտենցիալ տարբերություն. Cu և ցինկ. Zn էլեկտրոդները բաց արտաքին շղթայով e. դ.ս. Համարվող գալվանական բջիջի E.

Գալվանական բջիջի կողմից ստեղծված E. d.-ը կախված է քիմիական հատկություններէլեկտրոլիտ և մետաղներ, որոնցից պատրաստվում են էլեկտրոդները: Սովորաբար ընտրվում են մետաղների և էլեկտրոլիտի այնպիսի համակցություններ, որոնցում էլ. դ.ս. ամենամեծը, սակայն, գրեթե բոլոր օգտագործվող տարրերում այն ​​չի գերազանցում 1,1 -1,5 Վ-ը:

Երբ միացված է էլեկտրական էներգիայի ցանկացած ստացողի գալվանական բջիջի էլեկտրոդներին (տես Նկար 156), հոսանք I-ը կսկսի հոսել արտաքին միացումով պղնձի էլեկտրոդից (տարրի դրական բևեռը) դեպի ցինկի էլեկտրոդ (բացասական): բեւեռ). Էլեկտրոլիտում այս պահին ցինկի դրական իոնները Zn + և ջրածինը H 2 + կսկսեն շարժվել ցինկի ափսեից դեպի պղնձի, իսկ S0 4 թթվային մնացորդի բացասական իոնները՝ պղնձի ափսեից դեպի ցինկ: Արդյունքում, էլեկտրոդների և էլեկտրոլիտի միջև էլեկտրական լիցքերի հավասարակշռությունը կխախտվի, ինչի արդյունքում դրական ցինկի իոնները կրկին կսկսեն հոսել էլեկտրոլիտ կաթոդից ՝ պահպանելով այս էլեկտրոդի վրա բացասական լիցքը. նոր դրական իոններ կտեղադրվեն պղնձի էլեկտրոդի վրա: Այսպիսով, անոդի և կաթոդի միջև միշտ կլինի պոտենցիալ տարբերություն, որն անհրաժեշտ է էլեկտրական միացումով հոսանքի անցման համար:

Բևեռացում.Վոլտայի համարվող գալվանական բջիջը երկար ժամանակ չի կարող աշխատել դրա մեջ առաջացող բևեռացման վնասակար երևույթի պատճառով։ Այս երեւույթի էությունը հետեւյալն է. Դրական ջրածնի իոնները H 2 +, շարժվելով դեպի պղնձի էլեկտրոդ 1, փոխազդում են դրա վրա առկա ազատ էլեկտրոնների հետ և վերածվում ջրածնի չեզոք ատոմների: Այս ատոմները ծածկում են պղնձի էլեկտրոդի մակերեսը 4-րդ շարունակական շերտով, ինչը վատացնում է գալվանական բջիջի աշխատանքը երկու պատճառով. Նախ, ջրածնի շերտի և էլեկտրոլիտի միջև հայտնվում է լրացուցիչ էմ. դ.ս. (բևեռացման էմֆ), ուղղված հիմնական էլ. դ.ս. տարր, ուստի դրա արդյունքում էլ. դ.ս. E-ն նվազում է: Երկրորդ՝ ջրածնի շերտը բաժանում է պղնձի էլեկտրոդը էլեկտրոլիտից և թույլ չի տալիս նոր դրական իոնների մոտենալ դրան։ Սա կտրուկ մեծացնում է գալվանական բջիջի ներքին դիմադրությունը:

Բոլոր գալվանական բջիջներում բևեռացման դեմ պայքարելու համար դրական էլեկտրոդի շուրջ տեղադրվում են հատուկ նյութեր. ապաբևեռացնողներորոնք հեշտությամբ քիմիապես փոխազդում են ջրածնի հետ։ Նրանք կլանում են ջրածնի իոնները, որոնք մոտենում են դրական էլեկտրոդին՝ թույլ չտալով նրանց նստել այս էլեկտրոդի վրա:

Արդյունաբերությունն արտադրում է տարբեր տեսակի գալվանական բջիջներ (տարբեր էլեկտրոդներով և էլեկտրոլիտներով) տարբեր դիզայնով։ Ամենատարածվածը ածխածին-ցինկ բջիջներն են, որոնցում ածխածնի և ցինկի էլեկտրոդները ընկղմված են ամոնիումի քլորիդի (ամոնիակ) կամ սովորական աղի ջրային լուծույթի մեջ, իսկ մանգանի պերօքսիդն օգտագործվում է որպես ապաբևեռացնող։

չոր իրեր.Գալվանական բջիջների տեսակը չոր բջիջն է (Նկար 157), որն օգտագործվում է գրպանի էլեկտրական ջահերի, ռադիոընդունիչների և այլնի մարտկոցներում: Այս խցում հեղուկ էլեկտրոլիտը փոխարինվում է մածուցիկ զանգվածով, որը բաղկացած է թեփի հետ խառնված ամոնիակի լուծույթից: և օսլա, իսկ ցինկի էլեկտրոդը պատրաստվում է գլանաձև տուփի տեսքով, որն օգտագործվում է որպես անոթ, որի մեջ տեղադրվում են էլեկտրոլիտը և ածխածնային էլեկտրոդը: Տարրի աշխատանքի ընթացքում առաջացած գազերը հեռացնելու համար դրա մեջ տրամադրվում է գազի ելքի խողովակ։

Տարողություն.Քիմիական հոսանքի աղբյուրների էլեկտրաէներգիա արձակելու ունակությունը բնութագրվում է դրանց հզորությամբ: Հզորությունը վերաբերում է գալվանական բջիջներում կամ մարտկոցներում պահվող էլեկտրաէներգիայի քանակին:Հզորությունը չափվում է ամպ-ժամերով: Քիմիական հոսանքի աղբյուրի անվանական հզորությունը հավասար է քիմիական հոսանքի աղբյուրի արտանետվող անվանական (հաշվարկված) ելքի հոսանքի արտադրյալին (ամպերով), որը թողնում է քիմիական հոսանքի աղբյուրը, երբ բեռը միացված է դրան, մինչև դրա e. . դ.ս. չի հասնի նվազագույն թույլատրելի արժեքին. Երկարատև աշխատանքի ընթացքում էլեկտրաէներգիայի քանակությունը, որը կարող է տալ գալվանական բջիջը, նվազում է, քանի որ դրանում առկա ակտիվ տարրերը աստիճանաբար սպառվում են: քիմիական նյութեր, ապահովելով էլ. դ.ս; միաժամանակ նվազեցնելով էլ. դ.ս. տարրը և դրա հզորությունը և ներքին դիմադրությունը մեծանում են:

Գալվանական բջիջը անվանական հզորություն ունի միայն այն դեպքում, եթե դրա արտադրությունից համեմատաբար կարճ ժամանակ է անցել: Գալվանական բջիջի հզորությունը աստիճանաբար նվազում է, նույնիսկ եթե այն էլեկտրական էներգիա չի տալիս (պահելուց 10-12 ամիս հետո չոր խցերի հզորությունը նվազում է 20-30%)։ Սա բացատրվում է քիմիական ռեակցիաներՆման բջիջներում անընդհատ հոսում են, և դրանցում պահվող ակտիվ քիմիական նյութերը անընդհատ սպառվում են։

Քիմիական հոսանքի աղբյուրների հզորության նվազումը ժամանակի ընթացքում կոչվում է ինքնաբացարկ. Գալվանական բջիջի հզորությունը նույնպես նվազում է, երբ այն լիցքաթափվում է մեծ հոսանքով։

Գալվանական բջիջի դիագրամ կազմելու համար անհրաժեշտ է հասկանալ դրա գործողության սկզբունքը, կառուցվածքային առանձնահատկությունները։

Սպառողները հազվադեպ են ուշադրություն դարձնում կուտակիչներին և մարտկոցներին, մինչդեռ այս ընթացիկ աղբյուրներն ամենապահանջվածն են:

Քիմիական հոսանքի աղբյուրներ

Ի՞նչ է գալվանական բջիջը: Դրա միացումը հիմնված է էլեկտրոլիտի վրա: Սարքը ներառում է փոքր տարա, որտեղ գտնվում է էլեկտրոլիտը, որը կլանված է բաժանարար նյութով: Բացի այդ, երկու գալվանական բջիջների սխեման ենթադրում է առկայություն:Ինչ է նման գալվանական բջիջի անունը: Երկու մետաղները միմյանց կապող սխեման ենթադրում է ռեդոքս ռեակցիայի առկայությունը:

Ամենապարզ գալվանական բջիջը

Այն ենթադրում է տարբեր մետաղներից պատրաստված երկու թիթեղների կամ ձողերի առկայություն, որոնք ընկղմված են ամուր էլեկտրոլիտային լուծույթի մեջ։ Այս գալվանական բջիջի շահագործման ընթացքում անոդի վրա իրականացվում է օքսիդացման գործընթաց՝ կապված էլեկտրոնների վերադարձի հետ։

Կաթոդում - կրճատում, ուղեկցվում է բացասական մասնիկների ընդունմամբ: Արտաքին սխեմայի երկայնքով էլեկտրոնների փոխանցում կա վերականգնող նյութից դեպի օքսիդացնող նյութ:

Գալվանական բջիջի օրինակ

Գալվանական բջիջների էլեկտրոնային սխեմաներ կազմելու համար անհրաժեշտ է իմանալ դրանց ստանդարտ էլեկտրոդային ներուժի արժեքը: Եկեք վերլուծենք պղնձի-ցինկ գալվանական բջիջի տարբերակը, որն աշխատում է պղնձի սուլֆատի և ցինկի փոխազդեցության ժամանակ թողարկված էներգիայի հիման վրա:

Այս գալվանական բջիջը, որի սխեման կներկայացնենք ստորև, կոչվում է Յակոբի-Դանիել բջիջ: Այն ներառում է, որը ընկղմված է պղնձի սուլֆատի լուծույթի մեջ (պղնձի էլեկտրոդ), ինչպես նաև բաղկացած է ցինկի թիթեղից՝ իր սուլֆատի լուծույթում (ցինկի էլեկտրոդ): Լուծումները շփվում են միմյանց հետ, սակայն դրանց խառնումը կանխելու համար տարրի մեջ օգտագործվում է ծակոտկեն նյութից պատրաստված միջնորմ։

Գործողության սկզբունքը

Ինչպե՞ս է գործում գալվանական բջիջը, որի շղթան Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu է: Իր շահագործման ընթացքում, երբ էլեկտրական միացումը փակ է, տեղի է ունենում մետաղական ցինկի օքսիդացման գործընթացը:

Աղի լուծույթի հետ նրա շփման մակերեսի վրա նկատվում է ատոմների փոխակերպումը Zn2+ կատիոնների։ Գործընթացն ուղեկցվում է «ազատ» էլեկտրոնների արտազատմամբ, որոնք շարժվում են արտաքին շղթայի երկայնքով։

Ցինկի էլեկտրոդի վրա տեղի ունեցող ռեակցիան կարող է ներկայացվել հետևյալ կերպ.

Մետաղական կատիոնների կրճատումն իրականացվում է պղնձի էլեկտրոդի վրա։ Ցինկի էլեկտրոդից այստեղ ներթափանցող բացասական մասնիկները միավորվում են պղնձի կատիոնների հետ՝ դրանք նստեցնելով մետաղի տեսքով։ Այս գործընթացը նման է հետևյալին.

Եթե ​​ավելացնենք վերը քննարկված երկու ռեակցիաները, ապա կստանանք ամփոփ հավասարում, որը նկարագրում է ցինկ-պղինձ գալվանական բջիջի աշխատանքը:

Անոդը ցինկի էլեկտրոդ է, կաթոդը՝ պղինձ։ Ժամանակակից գալվանական բջիջները և մարտկոցները պահանջում են մեկ էլեկտրոլիտային լուծույթի օգտագործում, որն ընդլայնում է դրանց կիրառման շրջանակը, դարձնում դրանց աշխատանքը ավելի հարմարավետ և հարմարավետ:

Գալվանական բջիջների տարատեսակներ

Ամենատարածվածը ածխածին-ցինկ տարրերն են: Նրանք օգտագործում են պասիվ ածխածնի հոսանքի կոլեկտոր, որը շփվում է անոդի հետ, որը մանգանի օքսիդ է (4): Էլեկտրոլիտը ամոնիումի քլորիդ է, որն օգտագործվում է մածուկի տեսքով:

Այն չի տարածվում, ուստի գալվանական բջիջն ինքնին կոչվում է չոր: Դրա առանձնահատկությունը շահագործման ընթացքում «վերականգնվելու» հնարավորությունն է, ինչը դրականորեն է ազդում դրանց գործառնական շրջանի տևողության վրա: Նման գալվանական բջիջներն ունեն ցածր արժեք, բայց ցածր հզորություն: Երբ ջերմաստիճանն իջնում ​​է, դրանք նվազեցնում են իրենց արդյունավետությունը, իսկ երբ այն բարձրանում է, էլեկտրոլիտը աստիճանաբար չորանում է։

Ալկալային տարրերը ներառում են ալկալային լուծույթի օգտագործումը, ուստի դրանք բավականին շատ կիրառություններ ունեն:

Լիթիումի բջիջներում ակտիվ մետաղը հանդես է գալիս որպես անոդ, որը դրականորեն է ազդում ծառայության ժամկետի վրա։ Լիթիումը ունի բացասական հետևաբար, փոքր չափսերով, այդպիսի տարրերն ունեն առավելագույն անվանական լարում: Նման համակարգերի թերությունների թվում է բարձր գինը: Լիթիումի հոսանքի աղբյուրների բացումը պայթյունավտանգ է:

Եզրակացություն

Ցանկացած գալվանական բջիջի աշխատանքի սկզբունքը հիմնված է կաթոդում և անոդում տեղի ունեցող ռեդոքս գործընթացների վրա: Կախված օգտագործվող մետաղից, ընտրված էլեկտրոլիտի լուծույթը, տարրի ծառայության ժամկետը փոխվում է, ինչպես նաև անվանական լարման արժեքը: Ներկայումս պահանջարկ ունեն լիթիումային, կադմիումային գալվանական բջիջները, որոնք ունեն բավականին երկար ծառայության ժամկետ:

Քիմիական գալվանական բջիջի օրինակ է Յակոբի-Դանիել բջիջը (նկ. 6): Այն բաղկացած է պղնձի էլեկտրոդից (պղնձի ափսե՝ ընկղմված CuSO 4 լուծույթի մեջ) և ցինկի էլեկտրոդից (ցինկի ափսե՝ ընկղմված ZnSO 4 լուծույթի մեջ)։ Ցինկի ափսեի մակերեսին հայտնվում է DES և հավասարակշռություն է հաստատվում

Zn ⇄ Zn 2+ + 2ē

Այս դեպքում առաջանում է ցինկի էլեկտրոդային պոտենցիալը, և էլեկտրոդի շղթան նման կլինի Zn|ZnSO 4 կամ Zn|Zn 2+:

Նմանապես, DES-ը նույնպես հայտնվում է պղնձե ափսեի վրա և հավասարակշռություն է հաստատվում

Cu ⇄ Cu 2+ + 2ē

Հետևաբար, առաջանում է պղնձի էլեկտրոդային պոտենցիալ, և էլեկտրոդի շղթան նման կլինի Cu|CuSO 4 կամ Cu|Cu 2+:

Zn էլեկտրոդի վրա (էլեկտրաքիմիական ավելի ակտիվ) օքսիդացման գործընթացն ընթանում է. Zn - 2ē → Zn 2+: Cu-էլեկտրոդի վրա (էլեկտրաքիմիական առումով պակաս ակտիվ) տեղի է ունենում կրճատման գործընթացը՝ Cu 2+ + 2ē → Cu:

Բրինձ. 6 Պղինձ-ցինկ գալվանական բջիջի սխեման

Էլեկտրաքիմիական ռեակցիայի ընդհանուր հավասարումը.

Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu

կամ Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu

Քանի որ քիմիական գալվանական բջիջի շղթան գրված է «ճիշտ գումարած» կանոնի համաձայն, ապա Յակոբի–Դանիել բջջի շղթան նման կլինի.

Դիագրամում կրկնակի բարը ցույց է տալիս էլեկտրոդների միջև էլեկտրոլիտիկ շփումը, որը սովորաբար իրականացվում է աղի կամրջի միջոցով:

Մանգան-ցինկ գալվանական խցում (նկ. 7), ինչպես պղինձ-ցինկում, ցինկի էլեկտրոդը ծառայում է որպես անոդ։ Դրական էլեկտրոդը սեղմվում է գրաֆիտի և ացետիլենային մուրի հետ մանգանի երկօքսիդի խառնուրդից՝ «ագլոմերատի» սյունակի տեսքով, որի մեջտեղում տեղադրված է ածխածնի ձող՝ հոսանքի կոլեկտոր:

Բրինձ. 7 Չոր մանգան-ցինկ բջիջի սխեման

1 - անոդ (ցինկի գավաթ), 2 - կաթոդ (մանգանի երկօքսիդի խառնուրդ գրաֆիտի հետ), 3 - գրաֆիտի հոսանքի կոլեկցիոներ մետաղական գլխարկով,

4 - էլեկտրոլիտ

Ամոնիումի քլորիդ պարունակող մանգան-ցինկ բջիջներում օգտագործվող էլեկտրոլիտը, NH 4 CI-ի հիդրոլիզի շնորհիվ, ունի մի փոքր թթվային ռեակցիա: Թթվային էլեկտրոլիտում դրական էլեկտրոդի վրա տեղի է ունենում հոսանքի առաջացման գործընթաց.

МnO 2 + 4Н + + 2ē → Мn 2+ + 2Н 2 O

7-8 pH ունեցող էլեկտրոլիտում ջրածնի իոնները շատ քիչ են, և ռեակցիան սկսում է ընթանալ ջրի մասնակցությամբ.

MnO 2 + H 2 O + ē → MnOOH + OH -

MnOOH-ը թերի մանգանի (III) հիդրօքսիդ է՝ մանգանիտ:

Քանի որ ջրածնի իոնները սպառվում են հոսանքի ձևավորման գործընթացում, էլեկտրոլիտը դառնում է թթու, չեզոք կամ նույնիսկ ալկալային: Տարրերի լիցքաթափման ժամանակ հնարավոր չէ թթվային ռեակցիան պահպանել աղի էլեկտրոլիտում։ Անհնար է թթու ավելացնել աղի էլեկտրոլիտին, քանի որ դա կառաջացնի ուժեղ ինքնահոսք և ցինկի էլեկտրոդի կոռոզիա: Քանի որ մանգանիտը կուտակվում է էլեկտրոդի վրա, այն կարող է մասամբ արձագանքել ցինկի իոնների հետ, որոնք ձևավորվել են ցինկի էլեկտրոդի լիցքաթափման ժամանակ: Այս դեպքում ստացվում է քիչ լուծվող միացություն՝ հետաերոլիտ, և լուծույթը թթվացվում է.

2MnOOH + Zn 2+ → ZnO∙Mn 2 O 3 + 2H +

Հետաերոլիտի առաջացումը կանխում է էլեկտրոլիտի չափազանց ալկալային դառնալը, երբ բջիջը լիցքաթափվում է:

Բացի էլեկտրոլիզից, հնարավոր է հոսքի մեկ այլ տարբերակ ռեդոքսռեակցիաներ. Այս դեպքում էլեկտրոնները վերականգնող նյութից դեպի օքսիդացնող նյութ անցնում են մետաղական հաղորդիչով արտաքին էլեկտրական շղթայով։ Արդյունքում, արտաքին շղթայում հայտնվում է էլեկտրական հոսանք, և նման սարքը կոչվում է գալվանական տարր.Գալվանական բջիջներն են քիմիական հոսանքի աղբյուրներ- քիմիական էներգիան էլեկտրական էներգիայի ուղղակի փոխակերպման սարքեր՝ շրջանցելով դրա այլ ձևերը.
Տարբեր մետաղների և դրանց միացությունների վրա հիմնված գալվանական բջիջները լայն կիրառություն են գտել։ գործնական օգտագործումորպես քիմիական հոսանքի աղբյուրներ:

Գալվանական բջիջում քիմիական էներգիան վերածվում է էլեկտրական էներգիայի: Ամենապարզ գալվանական բջիջը բաղկացած է երկու անոթներից՝ CuSO 4 և ZnSO 4 լուծույթներով, որոնց մեջ ընկղմված են համապատասխանաբար պղնձի և ցինկի թիթեղները։ Անոթները փոխկապակցված են խողովակով, որը կոչվում է աղի կամուրջ, որը լցված է էլեկտրոլիտային լուծույթով (օրինակ՝ KCl): Նման համակարգը կոչվում է պղինձ-ցինկ գալվանական տարր.

Սխեմատիկորեն, պղինձ-ցինկ գալվանական խցում կամ, այլ կերպ ասած, գալվանական բջիջի միացումում տեղի ունեցող գործընթացները ներկայացված են ստորև նկարում:

Գալվանական բջիջի դիագրամ

Ցինկի օքսիդացումը տեղի է ունենում անոդում.

Zn - 2e - \u003d Zn 2+:

Արդյունքում ցինկի ատոմները վերածվում են իոնների, որոնք մտնում են լուծույթ, և ցինկի անոդը լուծվում է, և դրա զանգվածը նվազում է։ Նկատի ունեցեք, որ գալվանական բջիջում անոդը բացասական էլեկտրոդ է (ցինկի ատոմներից ստացված էլեկտրոնների շնորհիվ), ի տարբերություն էլեկտրոլիզի գործընթացի, որտեղ այն միացված է արտաքին մարտկոցի դրական բևեռին:

Ցինկի ատոմներից էլեկտրոնները շարժվում են արտաքին էլեկտրական շղթայի (մետաղական հաղորդիչ) երկայնքով դեպի կաթոդ, որտեղ տեղի է ունենում պղնձի իոնների կրճատման գործընթացը դրա աղի լուծույթից.

Cu 2+ + 2e - \u003d Cu.

Արդյունքում առաջանում են պղնձի ատոմներ, որոնք նստում են կաթոդի մակերեսին, և դրա զանգվածը մեծանում է։ Գալվանական բջիջի կաթոդը դրական լիցքավորված էլեկտրոդ է:

Պղինձ-ցինկ գալվանական բջիջում տեղի ունեցող ռեակցիայի ընդհանուր հավասարումը կարող է ներկայացվել հետևյալ կերպ.

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu.

Փաստորեն, տեղի է ունենում դրա աղի մեջ պղնձը ցինկով փոխարինելու ռեակցիան։ Նույն ռեակցիան կարող է իրականացվել այլ կերպ՝ ցինկի թիթեղը CuSO 4 լուծույթի մեջ ընկղմելով: Այս դեպքում ձևավորվում են նույն արտադրանքները՝ պղնձի և ցինկի իոնները: Սակայն պղինձ-ցինկ գալվանական բջիջում ռեակցիայի տարբերությունն այն է, որ էլեկտրոնների հետադարձման և միացման գործընթացները տարածականորեն առանձնացված են: Էլեկտրոնների հետադարձ (օքսիդացում) և միացման (նվազեցման) գործընթացները տեղի են ունենում ոչ թե Zn ատոմի անմիջական շփման ժամանակ Cu 2+ իոնի հետ, այլ համակարգի տարբեր վայրերում՝ համապատասխանաբար անոդի և կաթոդի վրա, որոնք միացված է մետաղական հաղորդիչով: Այս ռեակցիայի իրականացման այս մեթոդով էլեկտրոնները անոդից շարժվում են դեպի կաթոդ արտաքին շղթայի երկայնքով, որը մետաղյա հաղորդիչ է։ Լիցքավորված մասնիկների (այս դեպքում՝ էլեկտրոնների) ուղղորդված և պատվիրված հոսք է էլեկտրաէներգիա. Էլեկտրական հոսանք առաջանում է գալվանական բջիջի արտաքին շղթայում։ Քվեարկելու համար պետք է միացված լինի JavaScript-ը