Химические источники тока - гальванические элементы. Гальванические элементы - устройство, принцип работы, виды и основные характеристики

Подробности Категория: Просмотров: 1740

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ , первичные элементы, источники электрической энергии, получаемой непосредственно в самих приборах за счет химической энергии входящих в них веществ, способных к диссоциации электролитической. Известны случаи (концентрационные цепи), когда возможно гальваническое получение электрической энергии, не связанное с химическими превращениями; поэтому более широкое понятие - гальванической цепи - охватывает и группу явлений чисто физического характера, которые, однако, в качестве источника электрической энергии в виде особого прибора не применяются.

Внутреннее устройство всякого гальванического элемента включает следующие части: 1) ионизированную среду, составленную из проводников второго класса (электролитов), представляющих в практически применяемых гальванических элементах (гидроэлектрических элементах) водные растворы химических соединений; 2) электроды из проводников первого класса (металлов, окислов с металлической проводимостью и т. п.), соприкасающихся с электролитами и снабженных выводами во внешнюю цепь. Вышеуказанные составные части д. б. правильно составлены в гальваническую цепь, условное обозначение которой, образованной, например, из металлов М 1 и М 2 и растворов их солей М 1 Х 1 и М 2 Х 2 , следующее:

где стрелками обозначено направление тока внутренней и внешней цепей, причем ЭДС, возникающие в местах соприкосновения разнородных частей цепи, должны быть направлены от одного электрода к другому.

На фиг. 1 показана правильно составленная цепь: результирующая ЭДС направлена от одного электрода к другому; на фиг. 2 - неправильно составленная цепь: две коротко замкнутые цепи, ЭДС которых направлены вдоль электродов и результирующая равна нулю. Схема токопрохождения в замкнутой гальванической цепи представлена на фиг. 3.

Для электрода, на котором происходит разряд отрицательно заряженных ионов, (анионов), в электрохимии установилось название анода ; для того же, на котором происходит разряд положительных ионов катионов), - катода . Таким образом, во внутренней цепи гальванического элемента анодом является отрицательный электрод, а катодом - положительный. При пропускании же тока извне возникающее обратное направление тока, или разряд анионов на положительном электроде, сделает его анодом, а разряд катионов сделает отрицательный электрод катодом. С точки зрения химии, процесс, происходящий на аноде, идентичен реакции окисления, а обратный процесс на катоде - реакции восстановления.

I. Теория гальванических элементов . Как источник электрического тока гальванический элемент изучают: 1) со стороны его электрических характеристик, 2) со стороны связанных с прохождением тока химических превращений и 3) со стороны физического состояния и физико-химических свойств действующих веществ.

Общие характеристики гальванического элемента . Характерными величинами всякого гальванического элемента служат: Е - ЭДС; V = f(I, R, t) - напряжение замкнутого элемента, как функция силы тока I, внешнего сопротивления R и времени разрядки t; r - внутреннее сопротивление, зависящее от размеров электродов и сопротивления электролита; иногда r = f(t, t"), т. е. r является функцией времени разрядки t или времени хранения t"; ЭДС поляризации Ер = f(I, t) иногда объединяется с r под общим названием - внутренние потери, иногда Ep выражается в % от Е. Уравнения, связывающие эти величины, следующие:

Полагая ЭДС поляризации пропорциональной силе тока, т. е. Ер = k∙I, что близко к действительности, и принимая k + r = c, получим выражение внешней характеристики гальванического элемента:

где с" = c∙V, и силы тока:

при последовательном соединении n элементов в батарею:

при параллельном соединении n элементов:

иная группировка элементов в батареях в настоящее время почти не применяется. Электродвижущая сила:

мощность

максимальная мощность при R = с

Графически внешние характеристики для гальванического элемента, у которого Е = 1 V и с = 1 Ом, изображены на фиг. 4; очевидно, что гальванические элементы по существу дела предназначены для работы при весьма малой разрядной мощности, т. к. максимальная полезная мощность составляет лишь 25% возможной при данной силе тока и напряжении цепи = ЭДС источника.

Емкость по току; при I = Const,

при R = Const,

где t 0 - разрядный период в часах.

Емкость по энергии:

при I = Const,

при R = Const,

Термодинамические теории . Химические процессы, имеющие место в гальванических элементах, с точки зрения термодинамики рассматривают как изотермически обратимые и, прилагая к ним уравнение свободной энергии, получают выражение, связывающее тепловой эффект химической реакции с электродвижущей силой гальванических элементов. Уравнение Гельмгольца:

где Е - ЭДС гальванического элемента в V; Q - тепловой эффект в cal; n - число валентностей ионов, вступающих в химическую реакцию, тепловой эффект которой Q; F - фарадей = 96540 С = 26,8 Ah; 0,239 - коэффициент перевода J в cal; Т - абсолютная температура химического процесса; dE/dT - температурный коэффициент ЭДС; для гальванических элементов он обычно меньше 1 mV на 1° (см. табл. 1).

Для данного гальванического элемента температурный коэффициент ЭДС может менять свою величину и знак в зависимости от концентрации реагирующих веществ и Т°. Приводимая табл. 2, дающая значения ЭДС гальванических элементов при различных температурах, позволяет вычислить также и соответственные значения температурного коэффициента ЭДС и убедиться в его изменчивости.

Гальванические элементы, обладающие наименьшим температурным коэффициентом, при соблюдении ряда других условий применяются как эталоны ЭДС. При значении dE/dT близком или равном нулю, для вычисления ЭДС гальванических элементов применима более простая формула (правило Томсона):

Пользование вышеприведенными формулами требует экспериментального определения dE/dT и точного учета суммарного теплового эффекта химических реакций гальванических элементов, что затруднительно и не всегда возможно. Это затруднение устраняется с помощью 3-го начала термодинамики, дающего возможность исчислять ЭДС гальванических элементов из одних термических данных.

Осмотическая теория гальванических элементов . Потенциал ε соприкосновения пары электрод-электролит на основании осмотической теории гальванических элементов Нернста выражается следующей формулой:

где n и Т имеют указанные выше значения; R/F – электролитическая газовая константа, численное значение которой 0,864х10 –4 , если ε выражено в V; Р - упругость растворения электродного материала; р = kС есть давление ионов в растворе, где С - концентрация ионов, выраженная в грамм-ионах/л. Формула Нернста позволяет изучать в отдельности явления на аноде и катоде. Более удобно для пользования ее выражение в зависимости от концентрации ионов в электролите:

где ε 0 - постоянная, характерная для каждого иона величина, называемая электролитическим потенциалом соответствующего электрода относительно электролита, содержащего 1 испытуемый грамм-ион в литре (ε 0 дается для 18° со знаком, отвечающим электроду в справочных таблицах нормальных потенциалов), (0,058∙lg С)/n - поправочный член на изменение концентрации, - берется со знаком (+) в случае образования катионов Мà М + и со знаком (-) в случае образования анионов Хà Х – . ЭДС гальванической цепи получается как разность потенциалов отдельных электродов:

При непосредственном измерении ε в качестве условного нуля применяются вспомогательные электроды, обычно нормальные: водородный ε н или каломельный ε с, связанные уравнением:

Абсолютный потенциал (не общепризнанная величина) испытуемого электрода через вспомогательный определяется из уравнений:

или графически - см. фиг. 5 и табл. 3.

На фиг. 5 С указывает на потенциал относительно каломельного электрода, Н - относительно водородного электрода, pH - концентрация ионов водорода, N - нормальный раствор.

Явления в замкнутой цепи (поляризация гальванического элемента) . При прохождении тока потенциалы электродов, а с ними и ЭДС, изменяют свои первоначальные значения в разомкнутой цепи в зависимости от плотности тока на электродах и времени разрядки гальванического элемента, благодаря изменению сопротивления электролита и отчасти электродов и в связи с изменением во времени состава и концентрации действующих веществ. Совокупное действие этих причин, выражающееся в нарастании внутренних потерь гальванического элемента по мере его разрядки, носит название поляризации гальванического элемента. Характером и степенью поляризации (в этом общем смысле) обусловлены наиболее важные технические свойства гальванического элемента. Различают следующие виды гальванической поляризации (табл. 4):

Деполяризация . В применении к гальваническим элементам под деполяризацией обычно подразумевают лишь катодную деполяризацию в виду того, что против анодной, по незначительности ее, мер не принимается. Отсюда под названием деполяризатор понимают не добавочный материал, а основное, действующее на катоде вещество, что, разумеется, не совсем правильно. В силу технических и экономических причин наибольшее практическое значение приобрели гальванические элементы, в которых в качестве анода применен сплошной металлический, т. н. растворимый, электрод, а в качестве катода - пористый, нерастворимый, большей частью кислородный электрод.

Явления в разомкнутой цепи (саморазряд гальванических элементов). Побочные процессы в гальванических элементах связаны с второстепенными реакциями, имеющими место при разомкнутой внешней цепи. Они имеют большое значение для хранения гальванических элементов, вызывая так называемый саморазряд элементов. Внутренние причины (исключая, разумеется, короткие замыкания, небрежное изготовление и прочее), саморазряда сгруппированы в табл. 5.

Степень действия металлических пар (группа А, а) обусловлена не столько ЭДС цепи

сколько ЭДС следующей цепи:

которая определяется величиной добавочного напряжения (перенапряжения), необходимого для выделения водорода на поверхности данного материала. Величины этих добавочных напряжений для наиболее важных материалов при гладкой поверхности даны в табл.6.

Этим, например, объясняется безвредность присутствия свинца в цинке гальванических элементов.

II. Основные виды гальванических элементов . видна из табл. 7.

Эта сводка доказывает, что в отношении анода вопрос технически удовлетворительно был решен уже в первом гальваническом элементе Вольта. Цинк и по настоящее время, за исключением, очень редких случаев, является незаменимым материалом в качестве анода. Вся история гальванических элементов связана с отысканием наиболее подходящего материала в качестве катода вообще, кислородного электрода в частности и отчасти состава и обработки электролита.

Может быть произведена по разным признакам. Конструктивное деление на элементы с одной и элементы с двумя жидкостями в настоящее время устарело. Существенное значение, подтверждаемое историей элементного дела, имеет химический состав и исходное физическое состояние катодного материала (табл. 8).

Изображения типичных представителей разных групп гальванических элементов даны в табл. I, где указаны и основные химические процессы и соответствующие последним электродвижущие силы.

а) Гальванические элементы с жидким катодным материалом (деполяризатором). Гальванические элементы группы «а» - в большинстве случаев элементы с двумя жидкостями, с проницаемой перегородкой или без нее, имеют гл. обр. исторический интерес и академическое значение (классическая гальваническая цепь Даниеля). Находят более заметное применение в телеграфной практике элементы Мейдингера без диафрагмы. Более поздние гальванические элементы этой группы - элементы Шустера с диафрагмой:

и Л. Даримонта с полупроницаемой перепонкой в порах перегородки.

б) Гальванические элементы с твердым катодным материалом . Гальванические элементы группы «б» имеют в настоящее время наибольшее практическое значение. По разряду «А» к ним относятся, помимо указанного в табл. I элемента с хлористым серебром, применяющегося для медицинских целей, известные как эталоны напряжения нормальные элементы - Кларка:

Zn + Hg 2 SО 4 = ZnSО 4 + 2 Hg , ЭДС 1,433 V при 15°,

и Вестона:

Cd + Hg 2 SО 4 = СdSО 4 + 2 Hg , ЭДС 1,0184 V при 20°;

по разряду «Б» к этой группе гальванических элементов относятся, помимо многочисленных форм выполнения известных элементов Лекланше с нейтральным электролитом, несколько типов элементов со щелочным электролитом (Лаланда, Эдисона, Ведекинда и других), работающих по следующей схеме:

химическая реакция:

Одна из подобных современных американских конструкций представлена на фиг. 6 (левый рисунок - гальванический элемент, не бывший в употреблении, правый - разряженный); разрядный график показан на фиг. 7.

Эти элементы применяются для железнодорожной и другой сигнализации и изготовляются размерами на 100-600 Ah емкости.

Вследствие их низкого напряжения эксплуатация обходится дорого; элементы эти чувствительны к колебаниям температуры. Известны также элементы этой группы с кислотным электролитом, работающие по схеме:

химическая реакция:

Форма выполнения элемента этого типа для карманного фонаря изображена на фиг. 8.

в) Гальванические элементы с газообразным катодным материалом . Гальванические элементы группы «в» в последние годы начинают приобретать промышленное значение (до сих пор, главным обр., во Франции); известны как элементы с воздушной деполяризацией, вернее - деполяризацией кислородом воздуха. Одним из первых получил более широкое признание элемент Фери. Своей работой с газовым электродом Фери не только дал пути к разрешению вопроса о значительной экономии расхода цинка в гальванических элементах, но и удачно обошел затруднения, связанные с переходом кислорода из газа в ионное состояние, попутно осветив опытным путем механизм деполяризации. Сущность устройства (фиг. 9) этого элемента такова: на дне сосуда расположена горизонтально цинковая пластинка; в непосредственной с ней близости находится вертикальный угольный электрод, особым образом изготовленный, с высокой пористостью и электропроводностью, выступающий над электролитом (раствором хлористого аммония).

Физико-химические процессы элемента Фери . Теоретическое уравнение

не совсем точно. Фактически процесс распадается на две фазы. В первой фазе:

образуется ZnCl 2 , как и в обычном элементе Лекланше, но затем, по мере работы, происходит расслоение электролита на три слоя: удельно тяжелый ZnCl 2 (слабо кислая среда) остается на дне и покрывает цинк (фиг. 10), предохраняя его от неравномерного разъедания; образующийся на угле удельно более легкий раствор NH 4 OH всплывает наверх (слабощелочная среда), а посредине остается по преимуществу нейтральный раствор неизрасходованного NH 4 Cl по мере сближения крайних слоев и уменьшения общего содержания NH 4 Cl в растворе наступает вторая фаза процесса:

причем NH 4 Cl частично регенерируется, а осадок окиси цинка выпадает на границе соединения крайних слоев; нижняя, обращенная к цинку, часть угольного электрода все время остается чистой и, главное, погруженной в раствор ZnCl 2 .

Противоположно направленная ЭДС жидкостной пары (фиг. 11)

приблизительно равная 0,25 V, не уменьшает основной ЭДС, т. к. замкнута накоротко угольным электродом.

Угольный (газовый) электрод в нижней части насыщается адсорбированным водородом, в верхней - кислородом. Степень деполяризации этого электрода обусловливается работой коротко замкнутой пары:

с ЭДС ~ 0,5-1,0 V.

Этим объясняется устойчивость работы элемента, которая зависит гл. обр. от качества угольного электрода.

Сравнение гальванических элементов с газовым, твердым и жидким катодным материалом . Сравнительный график разрядок элемента Фери с элементом Лекланше показан на фиг. 12.

Сравнительный расход материалов в элементах с различным физическим состоянием катодного материала показан в табл. 9 для случая разрядки очень слабым током или более сильным с перерывами.

Фери дает следующие сравнительные стоимости выработки одного Ah:

Кроме элементов Фери, в настоящее время известны элементы с воздушной деполяризацией Le Carbone и со щелочным электролитом Нея, Нюберга и Юнгнера. На фиг. 13 дан разрядный график гальванических элементов фирмы Le Carbone, тип AD 220, на постоянное сопротивление 5 Ом.

Гальванические элементы мокрые и сухие различают по состоянию их электролита: в виде жидкого водного раствора, или превращенного в желеобразную, клейкую массу каким-либо загустителем (крахмал), или, наконец, в виде малоподвижного и невыливающегося, для чего жидким электролитом пропитывают пористую инертную массу-наполнитель, (древесные опилки, гипс, песок, картон).

Гальванические элементы типа Лекланше с сухим электролитом издавна получили наибольшее практическое применение и промышленное значение. В связи с этим в последнее время проделано много работ для освещения происходящих в нем физико-химических процессов. Схема гальванической цепи этого элемента:

Установлено раскисление MnО 2 до Mn 2 О 3 . В отличие от элемента Фери (вертикальное расположение электродов и присутствие в электролите ZnCl 2), расслоение малоподвижного электролита здесь наступает в меньшей степени. Различают три стадии химических реакций:

Кроме того, взаимодействие NH 4 OH и ZnCl 2 при некоторых условиях сопровождается образованием также и хлорокиси цинка по следующему уравнению:

Фактический расход МnO 2 иногда меньше, чем требуется уравнениями 1, 2 или 3, что объясняется участием в реакциях кислорода воздуха, поскольку обеспечен доступ последнего, или может быть другими, еще мало освещенными явлениями адсорбции на катоде. Поляризация электродов обусловлена главным образом повышением концентрации ионов ОН- и в меньшей степени Zn++ (табл. 10).

Имеет место также механическая поляризация (см. табл. 4) осадками ZnCl 2 ∙2NH 3 ; Zn(OH) 2 и Zn(ОН)Сl. Особенно вредны два последних, закрывающие доступ электролита внутрь пористого катода (агломерата). Саморазряд сухих элементов по сравнению с мокрыми, за исключением элемента Фери, значительно меньше, но в значительной степени зависит от способа и качества изготовления.

Классификация сухих гальванических элементов . В случае необходимости иметь запас на несколько лет, а также в других специфических условиях работы (например, в тропических странах), предпочитают применять незаряженные или не вполне заряженные гальванические элементы длительного хранения, которые перед употреблением должны быть приведены в действующее состояние. Но при этом надо иметь в виду, что срок службы таких элементов меньше, чем обычных сухих гальванических элементов.

В виду большого разнообразия в выполнении сухих гальванических элементов ниже приведена их классификация (табл. 11) по конструктивным признакам с кратким указанием того, в какой мере и как выполняются условия длительного хранения; кроме того, в табл. II показаны примерные формы выполнения некоторых из них.

III. Применение гальванических элементов . Стоимость электрической энергии от гальванических элементов . Теоретический расход материалов, которые могут быть применены в качестве электродных, и соотношение стоимостей (до войны 1914-18 гг.) этих материалов на 1 Wh (табл. 12) показывают, что выбор последних ограничивается либо высокой стоимостью (особенно Cd, Ag, Ni, Pb), либо техническими затруднениями например, Аl, Н 2).

Кроме того, если учесть, что стоимость 1 полезного Wh от практически наиболее экономично работающего элемента Фери обходится около 80 коп., считая один лишь расход материалов, то станет понятным, что и по экономическим и по техническим причинам Гальванические элементы находят применение лишь в случаях потребления приемником малого расхода энергии вообще и с малой разрядной мощностью в частности. Кроме того, во многих случаях применение гальванических элементов диктуется не столько их экономичностью, сколько их незаменимостью и рядом практических удобств. Последним объясняется преимущественное распространение элементов типа Лекланше, в особенности сухих.

Электротехнически применение гальванических элементов можно объединить в режимах, указанных в табл. 13.

Если сравнить технические данные элементов различных видов, например, элементов типа Фери с сухими типа Лекланше, то оказывается, что одно и то же удельное использование порядка 50 Wh/л может быть получено при удельной нагрузке для элементов типа Лекланше 0,1-0,25 А/л, для элементов же типа Фери лишь при 0,02-0,05 А/л. Этим объясняется сравнительно малый успех гальванических элементов типа Фери, несмотря на их преимущество в отношении экономичности. При более полной сравнительной оценке необходимо принять во внимание также и допустимый диапазон разрядного напряжения и ряд других условий. Наиболее удачной системой, легче других приспосабливаемой к различным встречающимся на практике режимам работы приемников, до настоящего времени следует считать систему Лекланше, чем и объясняется ее широкое распространение.

Промышленное изготовление гальванических элементов . Наибольшее промышленное значение имеют гальванические элементы группы «1, б» (табл. 13), т. е. сухие с желеобразным электролитом. Масштаб производства этих гальванических элементов виден из табл. 14.

В настоящее время во многих странах проведена нормализация продукции гальванических элементов. В Германии стандартизованы 8 типов сухих элементов, 2 типа мокрых и 1 тип карманных батареек. В Америке - 2 типа сухих элементов, 5 типов карманных батареек и 2 типа анодных радиобатарей. Проект общесоюзного стандарта на гальванические элементы цинк-уголь-перекись марганца с неподвижным электролитом (табл. 15) предусматривает 7 типов сухих и водоналивных гальванических элементов.

К производству радиобатарей (анодные и накала), в особенности первых, предъявляются наиболее высокие требования, например, в отношении однородности элементов. В настоящее время конструкцию их еще нельзя считать окончательно установленной не только у нас, но и за границей, хотя в последнее время, особенно в Америке, техника их изготовления достигла большого совершенства.

На фиг. 14 показаны графики периодической разрядки анодной батареи, а на фиг. 15 дан вид одного из элементов радиобатареи.

Основные материалы для производства сухих элементов . Перекись или двуокись марганца, в виду ее малой проводимости, чаще всего применяется в тесной смеси с графитовым порошком, в виде так называемых агломератов - пористых (до 40%) тел, окружающих угольный токоотводящий стержень (см. табл. II). Баланс стоимости материалов в основном складывается (в процентах) из:

Промышленные требования максимального использования действующих материалов в гальванических элементах следует рассматривать с двух сторон: а) со стороны стойкости этих материалов к самопроизвольному расходованию и б) со стороны их активности во время работы. Первое требование относится по преимуществу к аноду, второе - к катоду. В отношении цинка установлено, что не меньшую (если не большую) роль, чем химический состав, играют состояние его поверхности и кристаллическая структура, т. е. свойства, зависящие от обработки этого прокатного материала. В качестве двуокиси марганца применяют: а) марганцевую руду (пиролюзит), б) искусственную (химически полученную) перекись марганца, в) смесь той и другой, например, 2 весовых частей первой и 1 весовая часть второй. Первая отличается большей стойкостью и электропроводностью, вторая - большей активностью. Минералогическое происхождение и степень полимеризации пиролюзита также имеют большое значение. В СССР применяется почти исключительно чиатурский пиролюзит. Использование МnO 2 в агломерате находится в весьма сложной зависимости от: а) природы применяемого графита, б) степени измельчения обоих ингредиентов (величина зерна порядка 0,05 мм), в) их электропроводности, г) состава смеси и ее приготовления (давления), и, наконец, д) адсорбирующей способности МnO 2 и графита. В среднем при непрерывной разрядке до 0,7 V использование пиролюзита в сухих элементах составляет не более 20-30% (раскисление до Мn 2 O 3), а искусственной перекиси марганца (МnO 2) составляет 60-70%. Отношение (МnO 2 /графит) в современных элементах равно 2-4.

Электролит сухих гальванических элементов . Качество сухих гальванических элементов, в особенности способность к хранению, в сильной степени зависит не только от химического состава электролита, но и от физических свойств, способа наполнения и пр. Зависимость разъедания гладкого металлического цинка в растворах нашатыря различной концентрации изображена на фиг. 16, из которой видно, что минимальная коррозия имеет место с 20%-ным чистым раствором NH 4 Cl (влияние отдельных примесей рассматривается Друкером).

Концентрацию NH 4 Cl в электролите сухих элементов, согласно теории, желательно иметь максимальную. Одной из полезных добавок в смысле уменьшения растворения цинка является хлористый цинк (см. уравнение Нернста), как видно из фиг. 17, для раствора, содержащего 25 г NH 4 Cl на 100 см 3 раствора ZnCl 2 различной концентрации.

Из этого графика также видно, что влияние амальгамирования цинка существенно сказывается на коррозии лишь в отсутствии ZnCl 2 , а также, что увеличение содержания ZnCl 2 сверх 25% (удельный вес 1,24) сказывается на коррозии значительно меньше, притом, как следует из теории, невыгодно в отношении скорого образования Zn(OH) 2 . Интересно отметить, что оптимальная, по-видимому, концентрация ZnCl 2 отвечает комплексу ZnCl 2 ∙2NH 4 Cl. Из других свойств электролита существенным оказывается его вязкость. По Друкеру, 5%-ный клейстер раствора NH 4 Cl оказывает меньшее действие на цинк, чем 10%-ный. Известны два метода желатинизации электролита: 1) жидким электролитом наполняют элемент и затем нагревают до образования клейстера (обычный способ) 2) желатинизацию производят при обыкновенной температуре действием хлористого цинка. В качестве загустителя обычно применяют смесь двух весовых частей крахмала на одну весовую часть муки. Установлено, что наиболее пригодной для сухих элементов является вязкая желтоватая масса, которая получается в случае состава с наименьшим временем желатинизации. Влияние концентрации ZnCl 2 на скорость желатинизации растворов видно на фиг. 18.

Полученные соотношения позволяют применять два негустеющих в отдельности состава (табл. 16), которые при сливании вместе при комнатной температуре дают массу требуемых свойств, и притом в заранее рассчитанное время.

Этим ценным качеством ZnCl 2 , наряду с отмеченными выше, а также в виду его гигроскопических и консервирующих свойств, объясняются как непонятное на первый взгляд введение в свежий гальванический элемент материала, образующегося как продукт работы элемента, так и те преимущества в отношении емкости и срока хранения, которыми обладают изготовленные сухими на заводе элементы перед наливными и другими их формами без применения ZnCl 2 . Образованию двойных соединений с NH 3 в последнее время препятствуют применением электролита без NH 4 Cl, а именно из хлористого магния с добавкой хлористого марганца. Способ напитывания агломерата электролитом и наполнение элемента следует рассматривать в отношении его сохраняемости как предохранение Zn от действия на него кислорода воздуха. Необходимый для правильного функционирования и безвредный для расположенного на дне цинка в элементах типа Фери кислород воздуха в сухих гальванических элементах, наоборот, оказывает сильное разрушительное действие на цинк, в особенности в соединении с концентрационной парой (фиг. 19), действующей вдоль электрода при вертикальном его расположении.

Технологические приемы производства гальванических элементов . Заводское производство гальванических элементов делится на следующие главные операции: а) изготовление цинковых полюсов, б) приготовление катодов (агломератов), в) приготовление электролита и г) сборка указанных составных частей. Первая операция состоит из обычных механических приемов: резки листового цинка, гнутья по шаблону и пайки; применяется также штамповка и электросварка цинковых полюсов. Приготовление агломератов из просеянных до определенного зерна и смешанных в определенной пропорции графита и пиролюзита состоит в прессовании брикетов нужных размеров. Известны два метода прессовки: 1) прессовка непосредственно на уголь и 2) прессовка на вынимающийся затем стержень-шаблон с последующим вставлением угля в образовавшийся канал. Преимущество первого метода заключается в уменьшении переходного сопротивления агломерат-уголь; второго - в возможности применения больших давлений при прессовке. В последнее время распространяется автоматическая прессовка. Отпрессованный агломерат, надетый на уголь, помещается в матерчатый или бумажный чехол, обычно затягиваемый по спирали тонким шнурком, для придания большей механической прочности и для предохранения массы от выкрашивания. Этот прием носит название обвязки агломерата и обычно производится ручным способом. В Америке практикуется более совершенный прием - картонной обшивки агломерата без хлопотливой обвязки, причем картонная оболочка, заполняя все пространство между агломератом и цинком, одновременно служит и в качестве сепаратора, а также играет роль наполнителя для электролита. Один из возможных приемов такой механизации обвязки для малых образцов изображен на фиг. 20, согласно которой агломераты с надетыми на них чехлами с легким трением продавливаются через отверстие холодной или подогретой матрицы, причем соответственно устроенный пуансон запечатывает донышки.

Для надевания зажимов - латунных колпачков - также применяются полуавтоматы. Устройство одного из них дано на фиг. 21.

Технические данные: вес 96 кг, потребляемая мощность 1/2 л. с., производительность 1500 шт. в ч. Подобно этому при массовом изготовлении б. или м. механизированы и другие приемы сборки гальванических элементов.

Испытание гальванических элементов . Испытание электрических свойств производится по двум методам: 1) постоянной силы тока I = Const и 2) на постоянное сопротивление R = Const. В виду простоты более распространен второй метод. Испытания делятся на следующие виды: 1) Испытание внешней характеристики или внутреннего сопротивления; для получения линейной зависимости V = f(I) отсчет V необходимо брать при установившемся его значении. 2) Испытание емкости непрерывной разрядкой V = f(t) при I = Const или R = Const. 3) Испытание способности к хранению; надежного метода до настоящего времени не выработано; косвенно и далеко не точно судят по изменению ЭДС или по увеличению внутренних потерь за определенный промежуток времени хранения гальванических элементов. 4) Испытание максимальной отдачи в условиях б. или м. близких к условиям действительной работы гальванических элементов (периодический разряд по американским нормам). В СССР применялись гл. обр. первые два вида испытаний; в настоящее время имеются попытки применения и третьего вида; наиболее распространена разрядка гальванических элементов на 10 Ом сопротивления.

Установлено, что вид функции V = f(t) при R = Const для гальванических элементов с МnO 2 весьма близко выражается уравнением:

где V H. есть начальное напряжение, b - постоянная элемента, t - время. Это соотношение дает возможность аналитически определять среднее напряжение V ср. до любого конечного напряжения V K . из уравнения

а, следовательно, и соответственную емкость гальванического элемента

где t 0 - разрядный период в часах. Первое из уравнений применимо в пределах до V K . = 0,7V и ниже при разрядных режимах до 500 часов.

При более длинных режимах (обычно не применяющихся на практике) возможно наблюдающееся отклонение (не у всех гальванических элементов) кривой от своей первоначальной параболической формы (на фиг. 22 и 23 - кривые, снятые для гальванических элементов одних и тех нее размеров и в одинаковых условиях).

В этих случаях применение уравнения

ограничено более высоким конечным напряжением. Характер изменения емкости гальванических элементов русской продукции при различных режимах R = Const показан для нескольких размеров элементов на диаграмме «время разрядки-емкость» (фиг. 24).

Из диаграммы видно, что точки, отвечающие одним и тем же режимам для разных размеров гальванических элементов, лежат на прямых, проведенных из начала координат (лучи сопротивлений), как то следует из уравнения

так как, при весьма незначительных колебаниях V H. , V cp. = Const, а, следовательно, и величина I ср. , которая определяет наклон луча сопротивления к координатным осям, также = Const, другими словами - средняя разрядная сила тока практически может быть принята независимой от размеров и формы гальванических элементов и определяется лишь проводимостью внешней цепи (разрядным сопротивлением). Полученные простые соотношения позволяют легко из графика по времени разрядки определять емкость до того конечного напряжения, для которого построена диаграмма. Что касается изменения емкости гальванических элементов с разрядным режимом, то ряд появившихся в последнее время формул дает возможность с достаточной для практики точностью производить необходимые вычисления. При пользовании этими формулами не надо только забывать, что они являются эмпирическими и поэтому, строго говоря, применимы только к той продукции и в тех условиях, в которых эти формулы выводились. Для разрядок при I = Const к сухим элементам применима формула Пейкерта (см. Аккумуляторы электрические):

где t 0 - разрядный период в часах; для русской продукции значение показателя n до V K. = 0,7 V было найдено равным 1,3. Для американской продукции также была установлена справедливость формулы Пейкерта, причем до V K. = 0,75 V для одного из типов сухих элементов значение n = 2; постоянная k зависит от размеров элемента. Для разрядок при R = Const формула получает вид:

где n равно 1,5 до V K . = 0,75 V для американской продукции и 1,3 до V K. = 0,70 V для русской продукции. Вообще относительно постоянных n и k следует иметь в виду, что обе они зависят от V K . и, кроме того, k определяется количеством деполяризующейся массы и степенью ее использования, а n определяется формой элемента и главным образом толщиной активного слоя деполяризатора.

Зависимость разрядного напряжения сухих элементов от температуры и разрядного сопротивления видна на фиг. 25, которая показывает, что –22° является критической температурой для разрядок б. или м. значительным током.

Аппаратура для испытания гальванических элементов состоит из: 1) разрядной доски с набором сопротивлений и вольтметровым переключателем (фиг. 26);

2) установки для прерывистого испытания по американским нормам, в которой управляемые от часового механизма А реле С замыкают и размыкают испытуемые цепи Е (фиг. 27);

3) установки для испытания периодическим разрядом батарей запала по 2 часа в сутки (фиг. 28).

БАТАРЕИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ - группы электрически соединенных между собой гальванических элементов, которые вырабатывают электроэнергию за счет хим. реакции, происходящей между активными материалами электродов. В батареи гальванической чаще всего используются гальванические элементы, у которых положительный электрод изготовлен из смеси двуокиси марганца и графита, а отрицательный - из цинка. В качестве электролита обычно используется раствор хлористого аммония (нашатыря) и других хлористых солей. Такие элементы называются марганцево-цинковыми.

Рис. 1. Сухой элемент стаканчикового типа: 1 - отрицательный электрод (цинк), 2 - картонный футляр, 3 -токоотводы, 4 - колпачок, 5 - положительный электрод, 6 - слой электролита (пасты), 7 - смола, 8 - картонная шайба, 9 - изоляционная прокладка, 10 - стеклянная трубка (газоотвод)

Иногда в состав положительного электрода, кроме двуокиси марганца и графита, добавляется активированный уголь, который поглощает кислород из окружающей атмосферы, чем позволяет использовать его в хим. реакции. Такие элементы называются марганцево - воздушно - цинковыми. Они отличаются большей емкостью и меньшей себестоимостью. Для специальных целей применяются угольно - цинковые и железо - угольные наливные элементы, обладающие большим постоянством напряжения. Ввиду неудобства эксплуатации наливных элементов с жидким электролитом последний при помощи муки, крахмала, картона или других наполнителей переводится в вязкое состояние, благодаря чему он теряет свою текучесть и не выливается из элемента при любом положении. Такие элементы получили название сухих.

Различают два основных типа сухих элементов: стаканчиковый и галетный. У стаканчикового элемента (рис. 1) отрицательный электрод (цинковый полюс) выполнен в виде цилиндрического цельнотянутого или имеющего продольный шов (паяный, сварной, вальцованный) прямоугольного стакана. Положительный электрод представляет собой цилиндр или призму, напрессованную на угольный стержень, служащий токоотводом. Положительный электрод помещается внутри отрицательного, а пространство между ними заполняется сгущенным электролитом. У галетного элемента (рис.2) электроды имеют вид пластинок, которые разделены пропитанной электролитом картонной диафрагмой. Все детали стянуты упругим винилхлоридным ободом (кольцом). Токоотводом служит непроницаемый для электролита слой электропроводной массы, нанесенный на внешнюю сторону цинкового электрода. Марганцево - воздушно - цинковые элементы выпускаются только стаканчикового типа.

Рис. 2. Сухой элемент галетного типа: 1 - отрицательный электрод (цинк) с электропроводным слоем, 2 - положительный электрод, 3 - картонные диафрагмы, пропитанные электролитом, 4 - бумага обертки положительного электрода, 5 - хлорвиниловое кольцо

Основными показателями элемента являются его электродвижущая сила (э. д. с.) и напряжение, величина которых измеряется вольтметром (см.), в первом случае - при отсутствии нагрузочного сопротивления, во втором - при подключении обусловленного стандартом нагрузочного сопротивления. Э. д. с. марганцево - цинковых элементов колеблется от 1,5 до 1,8 В, э. д. с. марганцево - воздушно - цинковых элементов равна 1,4 В. Величина напряжения элемента всегда меньше э. д. с., разница между ними возрастает с уменьшением нагрузочного сопротивления. Важнейшими параметрами батарей гальванических являются также количество отдаваемой ими электроэнергии и способность сохранять ее на протяжении длительного времени (сохранность). Количество отдаваемой энергии измеряется либо продолжительностью работы элемента в часах, либо его электрической емкостью в а - час. Поскольку напряжение элемента при разряде падает, то в техн. документации всегда оговаривается нижний предел напряжения (конечное напряжение), определяющий нижнюю границу его работоспособности. При заданном конечном напряжении электрическая емкость элемента, а значит и продолжительность его работы зависят также от темп-ры и величины нагрузочного сопротивления (см. табл. 1), а также периодичности разряда.

Емкость батарей гальванических увеличивается с увеличением нагрузочного сопротивления и повышением темп-ры. Наиболее низкая темп-ра, при которой возможна работа элементов: для марганцево-цинковых -20°, для марганцево - воздушно - цинковых -5°. Периодичность разряда характеризуется чередованием и длительностью периодов разряда и отдыха элемента. Как правило, марганцево - цинковые элементы при прерывистом разряде отдают большую емкость, чем при непрерывном, а марганцево - воздушно - цинковые элементы, наоборот, меньшую.

Сохранностью батарей гальванических (элемента) называется срок от момента изготовления до начала эксплуатации, в продолжении которого изделие сохраняет свою работоспособность. Величина остающейся емкости (или продолжительности работы) оговаривается стандартом и обычно составляет 60-75% первоначальной.

Срок сохранности, указываемый на этикетке, является минимальным и почти всегда батареи гальванические и элементы могут быть использованы еще в течение некоторого времени. Годность их в этом случае определяется по напряжению.

Соединение элементов в батареи гальванические может быть последовательное, параллельное и смешанное. При последовательном соединении положительный полюс одного элемента присоединяется к отрицательному полюсу последующего элемента и т. д. (рис.3).

Рис. 3. Схема последовательного соединения элементов

Рис. 4. Схема параллельного соединения элементов батареи

Рис. 5. Смешанное соединение элементов батареи

Такое соединение элементов применяется для создания более высокого напряжения батареи гальванической, которое в этом случае прямо пропорционально числу последовательно соединенных элементов. Емкость батареи гальванической при этом не изменяется и равна емкости отдельного элемента. Параллельное соединение осуществляется путем соединения между собой, с одной стороны, всех положительных полюсов элементов, с другой - отрицательных (рис. 4). При этом возрастает емкость батареи гальванической, а напряжение ее остается равным напряжению отдельного элемента. При смешанном соединении применяются оба указанных выше способа: собирается несколько одинаковых групп с последовательным соединением элементов, которые соединяются между собой параллельно (рис. 5). При этом возрастают соответственно и напряжение и емкость.

В зависимости от назначения батареи гальванической подразделяются на анодные, сеточные, накальные и фонарные.

Анодные батареи гальванические (рис. 6) предназначаются для питания анодных цепей радиоприемников.

Рис. 6. Батарея БС-Г-70

Их напряжение сравнительно высоко - от 60 до 120 В. Используются они для небольшого тока - от 3 до 12 ма. Обычно эти батареи гальванические имеют дополнительные токоотводы в виде гнезда в панели или мягких проводов, которые позволяют использовать сначала часть батареи гальванической и подключать остальную ее часть по мере падения напряжения. Этот режим носит название секционного разряда и позволяет в известных пределах увеличить продолжительность службы батареи гальванической.

Сеточные батареи гальванические предназначаются для создания напряжения смещения на сетках радиоламп.

Рис. 7. Батарея БСГ-60-С-8

В них применяется последовательное соединение. Напряжение от 4,5 до 12,0 В. Расход тока не превышает 3 ма. Монтируются в одном футляре с батареями гальваническими анодными (рис. 7) и составляются из одинаковых с ними элементов.

Накальные батареи гальванические (рис. 8) предназначены для питания накальных нитей радиоламп.

Рис. 8. Батарея БНС-МВД-500

Для стационарных батарейных радиоприемников ("Родина", "Искра" и т. п.) накальные батареи гальванические с целью создания большей емкости составляются из четырех параллельно соединенных марганцево - воздушно - цинковых элементов большого размера. Напряжение их равно напряжению одного элемента, а расход тока от 0,3 до 0,5 а. В накальных батареях гальванических переносных батарейных радиоприемников применяется параллельное и смешанное соединение небольших элементов. Для батарейного радиоприемника "Тула" пром-стью выпускается комплект питания, в специальном футляре, состоящий из анодной и накальной батареи гальванической (рис. 9).

Рис. 9. Комплект - питания для радиоприемника "Тула"

Фонарные батареи гальванические предназначаются для питания лампочек карманных фонарей. Они характеризуются большим расходом тока (от 150 до 280 а) при небольшом напряжении (3,0- 4,5 в) и малыми габаритами. Наибольшее распространение получили батареи гальванические типа КБС-Л-0,50 (рис. 10), состоящие из трех последовательно соединенных элементов. Для фонарей круглого сечения и измерительных приборов (омметров, авометров и т. п.) пром-стью выпускаются элементы цилиндрической формы типа ФБС, последовательное соединение между которыми при необходимости осуществляется непосредственно при вложении их в корпус фонаря (прибора).

Рис. 10. Батарея для карманного фонаря КБС-Л-0,50

Условные обозначения элементов обычно состоят из четырех частей. Начальная цифра указывает габариты (в мм): №2 - 40х40х100, №3-55x55x130, № 6 - 80x80x175; буквы - С - сухой, Л - летний, X - хладостойкий; следующие затем цифры указывают емкость элемента. Так, 3С-Л-30 означает: элемент № 3, сухой, летний, емкостью 30 а-час. Наименование батарей гальванических, начинающееся с буквенных обозначений, состоит из 4-5 частей, имеющих следующие значения: Б - батарея, А - анодная, Н - накальная, С - сухая, Г - галетная, Ф - фонарная, К - карманная. Число после букв у анодных батарей гальванических показывает напряжение, у накальных - емкость. Однако иногда в обозначении батарей гальванических анодных буква А опускается, а в конце обозначения добавляется второй численный показатель - емкость батареи гальванической. Наименования батарей гальванических, начинающиеся с цифр, имеют следующие значения: начальная цифра обозначает напряжение, конечная - емкость, буквы: МЦ - марганцевоцинковая система, В - указывает на использование кислорода воздуха, Н - накальная, А - анодная, Т - телефонная, С - для слуховых аппаратов, П - панель. Батареям гальваническим, предназначенным для питания радиоприемников, кроме того, даны товарные наименования. Маркируются батареи гальванические путем наклейки этикетки с указанием: наименования или товарного знака предприятия - изготовителя, условного обозначения батарей гальванических, номинального напряжения, начальной емкости, гарантийного срока хранения и емкости в конце срока хранения.

Годность батарей гальванических и элементов определяется внешним осмотром и замерением напряжения на токоотводах. При осмотре следует убедиться в целости токоотводов и отсутствии наружных дефектов: поломок, разрушения заливочной смолки (мастики), повреждений и промокания футляра. Напряжение проверяется вольтметром; оно не должно быть ниже величин, указанных в табл. 2. Батареи гальванические упаковываются в деревянные ящики весом брутто 65-80 кг, выложенные внутри влагонепроницаемой бумагой, и отделяются от их стенок слоем сухой стружки или другого упаковочного материала. Батареи гальванические необходимо хранить в сухом и прохладном месте. Повышенная влажность в помещении для хранения, как и повышенная темп-ра, резко снижают срок их сохранности. Низкая темп-ра не опасна для батарей гальванических: после отогревания они полностью восстанавливают свои свойства. Батареи гальванические изготовляются предприятиями Главаккумуляторпрома Министерства электротехнической промышленности СССР.

Лит.: Сочеванов В.Г., Гальванические элементы, М., 1951; Морозов ГГ. и Гантмав С.А., Химические источники тока для питания средств связи, М., 1949; Сводный каталог на химические источники тока, М., 1950.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Балаковский инженерно-технологический институт

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Методические указания

по курсу « Химия»

всех форм обучения

Балаково 2014

Цель работы: изучить принцип работы гальванических элементов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ

В узлах кристаллических решеток металлов расположены ионы атомов. При погружении металла в раствор начинается сложное взаимодействие поверхностных ионов металла с полярными молекулами растворителя. В результате происходит окисление металла, и его гидратированные (сольватированные) ионы переходят в раствор, оставляя в металле электроны:

Ме + m H 2 O Me(H 2 O)+ ne -

Металл заряжается отрицательно, а раствор - положительно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла и на границе металл-раствор образуется двойной электрический слой, характеризующийся определенной разностью потенциалов -электродным потенциалом.

Рис. 1 Двойной электрический слой на границе раздела металл - раствор

Наряду с этой реакцией протекает обратная реакция - восстановление ионов металла до атомов.

Me(H 2 O)+ ne
Ме + m H 2 O -

При некотором значении электродного потенциала устанавливается равновесие:

Ме + m H 2 O
Me(H 2 O)+ ne -

Для упрощения воду в уравнение реакции не включают:

Ме
Me 2+ +ne -

Потенциал, устанавливающийся в условиях равновесия электродной реакции, называется равновесным электродным потенциалом.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Гальванические элементы – химические источники электрической энергии. Они представляют собой системы, состоящие из двух электродов (проводниковIрода), погруженных в растворы электролитов (проводниковIIрода).

Электрическая энергия в гальванических элементах получается за счет окислительно-восстановительного процесса при условии раздельного проведения реакции окисления на одном электроде и реакции восстановления на другом. Например, при погружении цинка в раствор сульфата меди цинк окисляется, а медь восстанавливается

Zn + CuSO 4 = Cu + ZnSO 4

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

Можно провести эту реакцию так, чтобы процессы окисления и восстановления были пространственно разделены; тогда переход электронов от восстановителя к окислителю будет происходить не непосредственно, а через электрическую цепь. На рис. 2 представлена схема гальванического элемента Даниэля-Якоби, электроды погружены в растворы солей и находятся в состоянии электрического равновесия с растворами. Цинк, как более активный металл, посылает в раствор больше ионов, чем медь, в результате чего цинковый электрод за счет остающихся на нем электронов заряжается более отрицательно, чем медный. Растворы разделены перегородкой, проницаемой только для ионов, находящихся в электрическом поле. Если электроды соединить между собой проводником (медной проволокой), то электроны с цинкового электрода, где их больше, будут по внешней цепи перетекать на медный. Возникает непрерывный поток электронов - электрический ток. В результате ухода электронов с цинкового электрода Znцинк начинает переходить в раствор в виде ионов, восполняя убыль электронов и стремясь тем самым восстановить равновесие.

Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом.

Анод (-) Катод (+)

Рис. 2. Схема гальванического элемента

При работе медно-цинкового элемента протекают следующие процессы:

1) анодный – процесс окисления цинка Zn 0 – 2e→Zn 2+ ;

2) катодный – процесс восстановления ионов меди Cu 2+ + 2e→Cu 0 ;

3) движение электронов по внешней цепи;

4) движение ионов в растворе.

В левом стакане - недостаток анионов SO 4 2- , а в правом – избыток. Поэтому во внутренней цепи работающего гальванического элемента наблюдается перемещение ионов SO 4 2- из правого стакана в левый через мембрану.

Суммируя электродные реакции, получаем:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

На электродах протекают реакции:

Zn+SO 4 2- →Zn 2+ +SO 4 2- + 2e(анод)

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

Zn + CuSO 4 → Cu + ZnSO 4 (суммарная реакция)

Схема гальванического элемента: (-) Zn/ZnSO 4 | |CuSO 4 /Cu(+)

или в ионном виде: (-) Zn/Zn 2+ | |Cu 2+ /Cu(+), где вертикальная черта обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две черты - границу раздела двух жидких фаз - пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита).

Максимальная электрическая работа (W) при превращении одного моля вещества:

W=nF E, (1)

где ∆E- ЭДС гальванического элемента;

F- число Фарадея, равное 96500 Кл;

n- заряд иона металла.

Электродвижущая сила гальванического элемента, может быть рассчитана как разность потенциалов электродов, составляющих гальванический элемент:

ЭДС= Е окис. – Е восст = Е к – Е а,

где ЭДС- электродвижущая сила;

Е окисл. – электродный потенциал менее активного металла;

Е восст - электродный потенциал более активного металла.

СТАНДАРТНЫЕ ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ МЕТАЛЛОВ

Абсолютные значения электродных потенциалов металлов непосредственно определить невозможно, но можно определить разность электродных потенциалов. Для этого находят разность потенциалов измеряемого электрода и электрода, потенциал которого известен. Наиболее часто в качестве электрода сравнения принято использовать водородный электрод. Поэтому измеряют ЭДС гальванического элемента, составленного из исследуемого и стандартного водородного электрода, электродный потенциал которого принимают равным нулю. Схемы гальванических элементов для измерения потенциала металла таковы:

Н 2, Pt|H + || Мe n + |Me

Т. к. потенциал водородного электрода, условно равен нулю, то ЭДС измеряемого элемента будет равна электродному потенциалу металла.

Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью) , равной 1 моль/л, при стандартных условиях, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25 0 С условно принимается равным нулю. Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов (Е°), получаем так называемый ряд напряжений.

Чем более отрицательное значение имеет потенциал системы Ме/Ме n+ , тем активнее металл.

Электродный потенциал металла, опущенного в раствор собственной соли при комнатной температуре, зависит от концентрации одноименных ионов и определяется по формуле Нернста:

, (2)

где E 0 – нормальный (стандартный) потенциал, В;

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31Дж(моль.К);

F– число Фарадея;

Т - абсолютная температура, К;

С - концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Подставляя значения R, F, стандартное температуры Т=298 0 К и множитель перехода от натуральных логарифмов (2,303)к десятичным, получают удобную для применения формулу:

(3)

КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Гальванические элементы могут быть составлены из двух совершенно одинаковых по природе электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, но различной концентрации. Такие элементы называются концентрационными, например:

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

В концентрационных цепях для обоих электродов величины n и E 0 одинаковы, поэтому для расчета ЭДС такого элемента можно использовать

, (4)

где С 1 – концентрация электролита в более разбавленном растворе;

С 2 - концентрация электролита в более концентрированном растворе

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОДОВ

Равновесные потенциалы электродов могут быть определены в условиях отсутствия в цепи тока. Поляризация - изменение потенциала электрода при прохождении электрического тока.

Е = Е i - Е p , (5)

где Е - поляризация;

Е i - потенциал электрода при прохождении электрического тока;

Е p - равновесный потенциал. Поляризация может быть катодной Е К (на катоде) и анодной Е A (на аноде).

Поляризация может быть:1) электрохимическая; 2) химическая.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. Опыты с неприятно пахнущими и ядовитыми веществами проводятся обязательно в вытяжном шкафу.

2. При распознавании выделяющегося газа по запаху следует направлять струю движениями руки от сосуда к себе.

3. Выполняя опыт, необходимо следить за тем, чтобы реактивы не попали на лицо, одежду и рядом стоящего товарища.

4. При нагревании жидкости, особенно кислот и щелочей, держать пробирку отверстием в сторону от себя.

5. При разбавлении серной кислоты нельзя приливать воду к кислоте, следует вливать кислоту осторожно, небольшими порциями в холодную воду, перемешивая раствор.

6. По окончании работы следует тщательно вымыть руки.

7. Отработанные растворы кислот и щелочей рекомендуется сливать в специально приготовленную посуду.

8. Все склянки с реактивами необходимо закрывать соответствующими пробками.

9. Оставшиеся после работы реактивы не следует выливать или высыпать в реактивные склянки (во избежание загрязнения).

Порядок выполнения работы

Задание 1

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Приборы и реактивы: цинк, гранулированный; сульфат меди CuSO 4 , 0,1 н раствор; пробирки.

Кусочек гранулированного цинка опустите в 0,1 н раствор сульфата меди. Оставьте стоять спокойно в штативе и наблюдайте происходящее. Составьте уравнение реакции. Сделайте вывод, какой металл можно взять в качестве анода и какой - в качестве катода для следующего опыта.

Задание 2

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Приборы и реактивы: Zn, Cu –металлы; сульфат цинка,ZnSO 4 , 1 М раствор; сульфат меди CuSO 4 , 1 М раствор; хлорид калия КCl, концентрированный раствор; гальванометр; стаканы; U- образная трубка, вата.

В один стакан налейте до ¾ объема 1М раствора соли металла, являющегося анодом, а в другой - такой же объем 1 М раствора соли металла, являющегося катодом. Заполните U- образную трубку концентрированным раствором КCl. Концы трубки закройте плотными кусочками ваты и опустите в оба стакана так, чтобы они погрузились в приготовленные растворы. В один стакан опустите пластинку металл- анод, в другую- пластинку металл- катод; смонтируйте гальванический элемент с гальванометром. Замкните цепь и отметьте по гальванометру направление тока.

Составьте схему гальванического элемента.

Напишите электронные уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде данного гальванического элемента. Вычислите ЭДС.

Задание 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АНОДА ИЗ УКАЗАННОГО НАБОРА ПЛАСТИНОК

Приборы и реактивы: Zn, Cu, Fe, Al –металлы; сульфат цинка,ZnSO 4 , 1 М раствор; сульфат меди CuSO 4 , 1 М раствор; сульфат алюминияAl 2 (SO 4) 3 1 М раствор; сульфат железаFeSO 4 , 1 М раствор; хлорид калия КCl, концентрированный раствор; стаканы; U- образная трубка, вата.

Составьте гальванические пары:

Zn/ZnSO 4 ||FeSO 4 /Fe

Zn / ZnSO 4 || CuSO 4 / Cu

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

Из указанного набора пластинок и растворов солей этих металлов соберите гальванический элемент, в котором цинк являлся бы катодом (задание 2).

Составьте электронные уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде собранного гальванического элемента.

Напишите окислительно-восстановительную реакцию, которая лежит в основе работы данного гальванического элемента. Вычислите ЭДС.

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Лабораторный журнал заполняется в ходе лабораторных занятий по мере выполнения работы и содержит:

дату выполнения работы;

название лабораторной работы и ее номер;

название опыта и цель его проведения;

наблюдения, уравнения реакций, схему прибора;

контрольные вопросы и задачи по теме.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

1.Какие из указанных ниже реакций возможны? Написать уравнения реакций в молекулярном виде, составить для них электронные уравнения:

Zn(NO 3) 2 + Cu →

Zn(NO 3) 2 + Mg →

2. Составьте схемы гальванических элементов для определения нормальных электродных потенциалов Al/Al 3+ ,Cu/Cu 2+ в паре с нормальным водородным электродом.

3. Вычислите ЭДС гальванического элемента

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

Какие химические процессы протекают при работе этого элемента?

4. Химически чистый цинк почти не реагирует с соляной кислотой. При добавлении к кислоте нитрата свинца происходит частичное выделение водорода. Объясните эти явления. Составьте уравнения происходящих реакций.

5. Медь находится в контакте с никелем и опущена в разбавленный раствор серной кислоты, какой процесс происходит на аноде?

6. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению: Ni+Pb(NO 3) 2 =Ni(NO 3) 2 +Pb

7. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал 1,2313 В. Вычислите концентрацию ионов Mn 2+ в моль/л.

Время, отведенное на лабораторную работу

Литература

Основная

1. Глинка. Н.А. Общая химия: учеб. пособие для вузов. – М.:Интеграл – Пресс, 2005. – 728 с.

2. Коржуков Н. Г. Общая и неорганическая химия. – М.: МИСИС;

ИНФРА–М, 2004. – 512 с.

Дополнительная

3.Фролов В.В. Химия: учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. шк., 2002. –

4. Коровин Н.В.. Общая химия: учебник для техн. направл. и спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2002.–559с.: ил..

4. Ахматов Н.С. Общая и неорганическая химия: учебник для вузов. – 4-е изд., исправл.- М.: Высш. шк., 2002. –743 с.

5. Глинка Н.А. Задания и упражнения по общей химии. – М.: Интеграл –Пресс, 2001. – 240 с.

6. Метельский А. В. Химия в вопросах и ответах: справочник. – Мн.: Бел.Эн., 2003. – 544 с

гальванические элементы

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

по курсу « Химия»

для студентов технических направлений и специальностей,

«Общая и неорганическая химия»

для студентов направления «Химическая технология»

всех форм обучения

Составили: Синицына Ирина Николаевна

Тимошина Нина Михайловна

Гальванический элемент – прибор, который преобразовывает химическую энергию в электрическую. Одним из таких элементов является элемент Даниэля – Якоби. Этот элемент состоит из двух электродов: цинкового и медного, – погруженных в соответствующие сульфатные растворы, между которыми пористая перегородка:

При замыкании внешней цепи электроны переходят от Zn к Cu, происходит диффузия цинка в медь:

Образуем электрохимическую схему:

Анод – отрицательный электрод (слева). Катод – положительный электрод.

Для определения ЭДС этого элемента нужно сравнить стандартные электродные потенциалы обоих электродов. При записи электродных реакций принято, что окисленная форма находится в левой части, а восстановленная – в правой части уравнения.

где E 0 – электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента, когда все реагенты в стандартном состоянии.

ЭДС элемента вычисляется вычитанием из потенциала катода потенциала анода.

ЭДС элемента равна +0,34 – (–0,76) = 1,1 В; чем больше электродные потенциалы отличаются друг от друга, тем больше ЭДС. Если погрузить металл в раствор соли большей концентрации, то потенциал нестандартный. Значит, на величину электродного потенциала влияет концентрация и температура. Такая зависимость выражается уравнением В. Нернста .

где п – число ионов;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – температура;

С – концентрация активных ионов в растворе;

F – число Фарадея = 96500 В.

ХИТы – устройства, которые применяют для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. ХИТы применяются в различных областях техники. В средствах связи: радио, телефон, телеграф; в электроизмерительной аппаратуре; они служат источниками электропитания для автомобилей, самолетов, тракторов; применяются для приведения в действие стартеров и др.

Недостатки ХИТ:

1) стоимость веществ, необходимых для работы: Pb, Cd, – высока;

2) отношение количества энергии, которую может отдать элемент, к его массе, мало.

Преимущества ХИТ:

1) ХИТы делятся на две основные группы: обратимые (аккумуляторы), необратимые (гальванические элементы) . Аккумуляторы можно использовать многократно, так как их работоспособность может быть восстановлена при пропускании тока в обратном направлении от внешнего источника, а в гальванических элементах допускают лишь однократное использование, поскольку один из электродов (Zn в элементе Даниэля – Якоби) необратимо расходуется;

2) применяются электролиты, поглощенные пористыми материалами, они имеют большее внутреннее сопротивление;

3) создание топливных элементов, при работе которых расходовались бы дешевые вещества с малой плотностью (природный газ, водород);

4) удобство в работе, надежность, высокие и стабильные напряжения.

Рассмотрим процесс технологии на основе свинцово-кислотного аккумулятора с намазными электродами.

Общая схема: (–) активное вещество | электролит | активное вещество (+).

Активным веществом отрицательного электрода служит восстановитель , отдающий электроны. При разряде отрицательный электрод является анодом, т. е. электродом, на котором протекают окислительные процессы. Активное вещество положительного электрода – окислитель . Активные вещества – окислитель и восстановитель – участвуют в электрохимической реакции.

Электрохимическая схема свинцово-кислотного аккумулятора

Активными веществами свинцового аккумулятора являются: губчатый свинец и PbO 2 . Создание активных масс в электродах заключается в следующем: на электропроводящий каркас конструкции наносят пасту или смесь оксидов Pb; при последующем формировании пластин оксиды Pb превращаются в активные вещества. Формирование – перевод незаряженной массы в заряженную. Такого рода пластины подразделяются в зависимости от типа каркаса на намазные и решетчатые. Большинство аккумуляторов собирают из намазных пластин. При их изготовлении пасту из оксидов свинца вмазывают в ячейки профилированных решеток толщиной 1 – 7 мм, отлитых из Pb – Sb сплава. После затвердевания паста удерживается на решетке, гарантия такого аккумулятора – 2 – 3 года. При выборе материалов токоотводов положительных электродов аккумуляторов важно обеспечить их практическую пассивность (при сохранении электрической проводимости) в условиях заряда (до весьма высоких потенциалов при анодной поляризации). Для этой цели в растворах H 2 SO 4 применяют Pb или его сплавы. Корпус и крышка ХИТ могут быть изготовлены из стали, либо из различных диэлектриков, но в свинцово-кислотных аккумуляторах корпус выполняют из эбонита, полипропилена, стекла. Электролит в свинцово-кислотном аккумуляторе может участвовать в суммарной токообразующей реакции. Для токоведущих отводов отрицательного электрода применяют Cu, Ti, Al.

3. Регенерация и утилизация ХИТов

Срок службы гальванических элементов кончается (разряд ХИТ) после полного или частичного использования активных материалов, работоспособность которых после разряда может быть восстановлена путем заряда, то есть пропусканием тока в направлении, обратном направлению тока при разряде: такие гальванические элементы называются аккумуляторами . Отрицательный электрод, который при разряде аккумулятора был анодом, при заряде становится катодом. Условиями лучшего использования активных материалов являются низкие плотности тока, высокие температуры до нормы. Обычно причиной нарушения работы ХИТов является пассивация электродов – резкое уменьшение скорости электрохимического процесса при разряде, вызванное изменением состояния поверхности электродов при разряде из-за образования оксидных слоев или солевых пленок. Способ борьбы с пассивацией – уменьшение истинных плотностей тока разряда путем применения электродов с развитыми поверхностями. Производство ХИТ отличается применением разнообразных токсичных веществ (сильных окислителей, соединений Pb, Hg, Zn, Cd, Ni, применяемых в мелкодисперсном состоянии; кислот, щелочей, органических растворителей). Для обеспечения нормальных условий труда предусмотрена автоматизация производственных процессов, рациональные системы вентиляции, включающие применение местных отсосов от аппаратов с токсичными выделениями, герметизация оборудования, замена сухих способов переработки пылящих материалов мокрыми, очистка загрязненного воздуха и газов от аэрозолей, очистка промышленных сточных вод. Массовое использование ХИТ в народном хозяйстве связано с проблемами экологии. Если свинец из аккумуляторов в основном может быть возвращен потребителями на заводы по его переработке, то утилизация небольших бытовых первичных ХИТ экономически нецелесообразна.

Каждая батарея Hg – Zn обеспечивает работу слухового аппарата в течение 5 – 7 дней.

Проводится разработка электромобилей с использованием ХИТ вместо двигателей внутреннего сгорания, которые отравляют атмосферу городов выхлопными газами. По степени отрицательного воздействия на окружающую среду гальваническое производство стоит на первом месте. Причина крайне негативного воздействия гальванического производства заключается в том, что на подавляющем большинстве предприятий в технологических процессах нанесения покрытий полезно расходуется только 10 – 30% солей тяжелых металлов, остальная же часть при неудовлетворительной работе попадает в среду. Выход – максимально сократить потери солей цветных металлов, то есть уменьшить вынос деталями электролитов из гальванических ванн. Это приведет к уменьшению концентраций и объемов сточных вод и создаст тем самым необходимые условия для ведения малоотходной (МОТ) и безотходной (БОТ) технологий нанесения гальванических покрытий. Надо первоначально правильно подобрать электролит. Основополагающий принцип МОТ и БОТ – уменьшать расход химикатов на входе и меньше поставлять ядов на выходе процесса.