26.08.2020, Ср, 09:39, Мск , Текст: Эльяс Касми

В США созданы первые прототипы бета-гальванической батареи, способной работать 28 тыс. лет. В ее основе лежит сердечник из переработанных ядерных отходов, но для человека она безопасна за счет покрытия из специальных синтетических алмазов. В России тоже есть подобные батареи, но они работают не дольше 20 лет.

Бесконечный источник энергии

Американские ученые из компании Nano Diamond Battery разработали «вечный» источник питания, способный работать тысячи и даже десятки тысяч лет. Они создали так называемую «бета-гальваническую батарею» (betavoltaic) и, по их заверениям, даже успешно испытали их в лабораторных условиях. В отечественном институте НИТУ «МИСиС» бета-гальванические элементы питания называют бетавольтаическими.

Как сообщил ресурсу New Atlas исполнительный директор Nano Diamond Battery Нима Голшарифи (Nima Golsharifi), одна такая батарейка может работать до 28 тыс. лет. Такой элемент питания может использоваться, по мнению разработчиков, в самых разных видах техники, начиная от носимых устройств и мобильных гаджетов и заканчивая средствами передвижения – поездами, электромобилями и даже самолетами.

Как работают такие батареи

В основе работы бета-гальванических батарей лежит принцип преобразования альфа- и бета-излучений радиоактивного вещества в обычный электрический ток, питающий всю современную технику. Как заверил Нима Голшарифи, созданным компанией источникам энергии можно придавать практически любую форму, другими словами, их можно выпускать в виде привычных многим батареек различных форматов – АА, 18650, CR2032 и др.

Батарейка Nano Diamond Battery может работать тысячелетиями

Конструкция бета-гальванической батареи состоит в первую очередь из радиоактивного сердечника, который выступает в качестве источника изотопов. Нима Голшарифи подчеркнул, что сердечник изготавливается из небольшого количества переработанных ядерных отходов.

Для того чтобы сделать батареи безвредными для людей и окружающей среды, специалисты Nano Diamond Battery покрыли «фонящий» сердечник специальными нерадиоактивными синтетическими алмазами, выращенными в лабораторных условиях. Это очень дешевые в производстве аналоги обычных алмазов.

Изотопы радиоактивного элемента в процессе так называемого «неупругого рассеяния» взаимодействуют с алмазным покрытием, и в итоге энергия бета-излучения преобразуется в электрический ток.

Для чего нужна «вечная» батарея

Столь значительный период работы батарей разработчики объяснили тем, что используемое в качестве сердечника вещество может оставаться радиоактивным сотни и тысячи лет. Они отметили также, что такие батареи могут вырабатывать чрезмерно большое количество энергии, которую они предлагают хранить в дополнительной «буферной» емкости. В качестве такой емкости могут служить суперконденсаторы, а в России, как сообщал CNews, как раз научились изготавливать их из бесполезного сорного растения – борщевика.

Лабораторные испытания

Прототипы бета-гальванических батарей, разработанные в Nano Diamond Battery, были протестированы в двух лабораториях – Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и Ливерморской национальной лаборатории им Э. Лоуренса. Результаты испытаний показали, что творение ученых компании обходили другие элементы питания на основе синтетических алмазов – если те демонстрировали 15-процентный прирост эффективности в сравнении с традиционными батареями, включая литий-ионные, то в случае разработки Nano Diamond Battery этот показатель был 40-процентным.

Форму батарее Nano Diamond Battery можно придать любую

В то же время разработчики пока не могут точно сказать, когда элементы питания, основанные на разработанной ими технологии, начнут использоваться повсеместно. Первые версии таких элементов питания, пригодные для повседневного использования, могут появиться в течение двух лет.

Виртуализация приходит в SAN

По их заявлению, использование таких батарей, к примеру, электромобилях намного более эффективно в сравнении с литиевыми. При тех же габаритах они смогут нести в себе большее количество энергии, а использование дешевого искусственного алмаза вместо дорогого лития позволит снизить итоговую стоимость электрокаров.

Тем временем в России

Отечественные специалисты тоже смотрят в сторону атомных портативных элементов питания. К примеру, сотрудники НИТУ «МИСиС» в августе 2020 г. продемонстрировали собственный прототип такой батареи, конструкция которой основана на запатентованной микроканальной 3D-структуре никелевого бета-гальванического элемента. Срок службы такой батарейки – 20 лет.

Особенность трехмерной структуры батарейки заключается в том, что радиоактивный элемент наносится с двух сторон так называемого планарного p-n перехода, что позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также контролировать обратный ток, который «крадет» мощность батареи. Особая микроканальная структура обеспечивает увеличение эффективной площади преобразования бета-излучения в 14 раз, что в результате дает общее увеличение тока.

Отечественный вариант бета-гальванической батареи

За счет оригинальной 3D-структуры бета-гальванического элемента размеры батареи, по словам разработчиков, уменьшились втрое, удельная мощность повысилась в 10 раз, а себестоимость снизилась на 50%.

«Выходные электрические параметры предложенной конструкции составили: ток короткого замыкания IКЗ — 230 нА/см² (в обычной планарной — 24 нА), итоговая мощность — 31 нВт/см², (в планарной — 3 нВт). Конструкция позволяет на порядок повысить эффективность преобразования энергии, выделяющейся при распаде β-источника, в электроэнергию, что в перспективе снизит себестоимость источника примерно на 50% за счет рационального расходования дорогостоящего радиоизотопа, — отметил один из разработчиков Сергей Леготин, доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ «МИСиС».

Батарейка может быть применена в нескольких функциональных режимах: в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах и в труднодоступных (или совсем не доступных) местах: в космосе, под водой, в высокогорных районах.

Гальванические элементы сухая батарея — Справочник химика 21

    В литературе уже описано применение цеолитов в качестве ионных проводников в батареях пз сухих гальванических элементов. В работе [33] сообщается о возможности применения таких батарей при высоких (500 °С) температурах. [c.416]

    Для точного измерения э.д.с. электродной пары нужно подавать на измерительную схему постоянный ток со строго определенным напряжением, причем оно должно оставаться постоянны.м во вре.мя измерения. Источник постоянного напряжения — важная часть измерительной схемы. В лабораторных рН-метрах источником постоянного напряжения обычно служит сухой элемент, например батарея З-СЛ-30. Поскольку ее э.д.с. несколько изменяется во времени, в схему обычно включают дополнительно нормальный гальванический элемент Вестона. Он выбран в качестве эталона потому, что обладает высоким постоянством э.д.с. (1,0183 в при 20 0. Этот элемент включают в схему таким образом, чтобы можно было проверить по нему э.д.с. сухого элемента. Для этого на реохорд подают э. д.с. нормального элемента, включают навстречу ему э.д.с сухого эле.мента и при помощи специального переменного сопротивления уменьшают э.д.с., подаваемую от сухого элемента, до момента компенсации — отсутствия тока в цепи. Компенсация означает, что э.д.с., поступающая от сухого элемента, равна э.д.с нор.мально-го элемента, т. е. 1,0183 в при 20° С. Описанную операцию называют настройкой измерительной схемы по нормальному элементу. [c.376]

    Опытная батарея сухих гальванических элементов, изготовленных из такой двуокиси марганца, по некоторым электрическим характеристикам (э. д. с., напряжение, емкость и др.) превосходила батарею КБС-Л-50 и серийную батарею Электроэлемент . [c.129]

    Первым гальваническим элементом был вольтов столб, а затем батарея Петрова. Позднее было изготовлено много других систем гальванических элементов, из которых отметим элемент Якоби (1837 г.) и сухие элементы, появившиеся в конце XIX в. [c.222]

    В результате электролиза на титановом аноде образуется продукт 7-модификации, содержаш,ий 92—93% МпОг. Опытная батарея сухих гальванических элементов, изготовленных из такого диоксида марганца, по некоторым электрическим характеристикам (э, д, с., напряжение, емкость и др.) превосходила батарею КБС-Л-50 и серийную батарею Электрозле-мент . [c.176]

    Описание одного из гальванических элементов, концентрационного элемента, дано в предшествующем разделе. Такой элемент называют жидкостным элементом, поскольку в нем имеется жидкий электролит. Очень удобный элемент — обычная сухая батарея, схематически показанная на рис. 15.8, Такая батарея состоит из цинкового цилиндра, заполненного электролитом в виде пасты из хлорида аммония (КН4С1), небольшого количества хлорида цинка воды и диатомовой земли или другого [c.472]

Батарея — гальванический элемент — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Батарея — гальванический элемент

Cтраница 1

Батарея гальванических элементов соединялась проводом длиной в 4X32 см. Параллельно этому проводу располагался другой ( провода разделялись двойным слоем бумаги), концы которого присоединялись к гальванометру. Если ток есть движение электрической жидкости и это движение действует на постоянный магнит — совокупность токов ( гипотезу Ампера он принимает), то движущаяся жидкость в одном проводнике заставит двигаться неподвижную в другом и гальванометр должен зафиксировать ток.  [1]

Тестеры питаются от встроенной батареи гальванических элементов.  [2]

Самая большая в мире батарея гальванических элементов, собранная русским физиком В. В. Петровым в 1802 г., состояла из 2100 медных и 2100 цинковых кружков.  [3]

Источниками малых напряжений служат батареи гальванических элементов, аккумуляторы, выпрямительные установки, преобразователи частоты и трансформаторы.  [4]

Источниками малого напряжения могут быть батарея гальванических элементов, аккумулятор, выпрямительная установка, преобразователь частоты и трансформатор. Аккумуляторы и гальванические элементы не зависимы от стационарных сетей, но неудобны в эксплуатации.  [6]

Источником малого напряжения может быть батарея гальванических элементов, аккумулятор; выпрямительная установка, преобразователь частоты и трансформатор. Аккумуляторы и гальванические элементы независимы от стационарных сетей, но неудобны в эксплуатации.  [7]

Источником малого напряжения может быть батарея гальванических элементов, аккумулятор, выпрямительная установка, преобразователь частоты и трансформатор. Выпрямительная установка, применяемая как источник малого напряжения, должна соединяться с питающей сетью через понизительный трансформатор. Включение выпрямителей через автотрансформатор не допускается, так как токоведущие части сети малого постоянного напряжения в этом случае электрически связаны с сетью высшего напряжения.  [8]

Двигатель этого судна питался от батареи гальванических элементов; это обстоятельство явилось слабым местом, задержавшим дальнейшее применение электрической энергии для тяги.  [9]

Источниками малого напряжения могут быть батареи гальванических элементов, аккумуляторы, выпрямительные установки, преобразователи частоты и трансформаторы.  [10]

Для своих опытов — Петров пользовался большой батареей гальванических элементов, отсутствие более совершенных источников электрической энергии долгое время не позволяло использовать его лабораторные эксперименты для практического применения электрической дуги.  [11]

Достаточно ли иметь общий сосуд при изготовлении батареи параллельно соединенных гальванических элементов.  [12]

Источниками питания в них служат аккумуляторы, иногда батареи гальванических элементов в комбинации с преобразователем постоянного напряжения. Оконечное оборудование обычно содержит телеграфный ключ или микрофон и головной телефон или громкоговоритель.  [13]

АРМС имеют свой радиопередатчик, получающий питание от батареи гальванических элементов большой емкости или аккумуляторов ( автоматически подзаряжаемых от ветросиловой зарядной установки), и устанавливаются в труднодоступных местах, главным образом в Арктике, в частности, на дрейфующих льдинах. За создание одной из первых APiMC Б. М. Коноплев с сотрудниками были награждены Государственной премией.  [14]

В качестве источника тока для питания электромагнитов была применена батарея гальванических элементов.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И БАТАРЕИ | Основы электроакустики

Гальванический элемент, изобретенный Вольтом (в честь его названа ныне всем известная единица измерения напряжения или электродвижущей силы — вольт), как все гениальное, предельно прост — это просто два электрода, опущенных в баночку с раствором электролита. Работа гальванического элемента основана на возникновении так называемой контактной разности потенциалов между про­водящим ток предметом (электродом) и электролитом. В качестве последнего обычно выступают кислотные, соля­ные или щелочные растворы. Когда электроды изготовлены из разных материалов, то между ними, находящимися в электролите, возникают разные по величине электродвижу­щие силы. Их разность и используется для питания различ­ных радиоэлектронных устройств. Она имеет порядок от долей вольта до нескольких вольт. Упомянутая конструкция, разумеется, давно не при­меняется. Хотя бы потому, что не является герметичной. А между тем раствор электролита (соляной или щелоч­ной) опасен для человека и способен разъедать все, на что он попадает. Современные элементы имеют герметич­ный корпус. Наиболее распространены цилиндрические элементы, но существуют и элементы в прямо­угольных корпусах и таблеточных. Они имеют металли­ческий стаканчик (например, цинковый) — один электрод, и угольный стержень в нем — другой электрод. Стаканчик заполнен пористым веществом, пропитанным электроли­том, и имеет герметичную крышку.

К. сожалению, как только гальванический элемент на­чинает отдавать ток во внешнюю цепь, в нем происхо­дит химическая реакция, ведущая к растворению матери­алов электродов и ослаблению концентрации электролита (его истощению). Это та неизбежная цена, которую прихо­дится платить за преобразование химической энергии в электрическую. Эта реакция медленно идет и при отсут­ствии тока во внешней цепи, что приводит к саморазряду элемента и снижению его емкости по мере хранения.

Как отмечалось, сейчас используются почти исключи­тельно герметичные конструкции гальванических элемен­тов, например, в цилиндрических корпусах (стаканчиках) . К сожалению, абсолютно герметичные элементы используются лишь в технике специального назначения (например, космической или военной). Они очень дороги. Обычные элементы имеют неплохую степень герметич­ности — как правило, утечка электролита из них возможна только после примерно года эксплуатации, а у некоторых элементов даже спустя много лет.

Химические источники тока (ХИТ) в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых ХИТ. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили. В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель-железные и никель-кадмиевые. Они применяются в портативных ЭВМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр. В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно-важных систем.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА  Гальванические источники тока одноразового действия представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются сухими элементами. Этот термин используется применительно ко всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы.  Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др. Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление — на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи. Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент, работающий за счет энергии приведенной выше реакции между цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала. При работе элемента, т.е. при замкнутой цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, гидратируясь, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду. Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением: Zn = Zn2+ + 2e- На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:  Cu2+ + 2e- = Cu  Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакций. Таким образом, при работе гальванического элемента, электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.

• Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом(цинк).

• Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом (медь).
  

В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно- восстановительная реакция. Однако, число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.  В отличие от медно-цинкового элемента, во всех современных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два, а один электролит; такие источники тока значительно удобнее в эксплуатации.

ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Угольно-цинковые элементы  Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму.Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими. Угольно-цинковые элементы «восстанавливаются» в течении перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического «отдыха» срок службы элемента продлевается. Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5…10 Вт/кг) и малый срок хранения. Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

Щелочные элементы  Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом. Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, вследствие чего газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений.

Ртутные элементы Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором щелочи. Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не следует выбрасывать после их полного использования. Они должны поступать на вторичную переработку.

Серебряные элементы Они имеют «серебряные» катоды из Ag2O и AgO.

Литиевые элементы  В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.
Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом по отношению ко всем металлам, литиевые элементы характеризуются наибольшим номинальным напряжением при минимальных габаритах. Ионная проводимость обеспечивается введением в растворители солей, имеющих анионы больших размеров. К недостаткам литиевых элементов следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны.
Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.

Гальванические элементы — использование, хранение и восстановление

Применяя гальванические элементы для питания аппаратуры, следует помнить, что долговечность их работы зависит от условий хранения и величины тока, который потребляет устройство.

Так, сохранять элемент или батарею необходимо в сухом прохладном месте, можно положить на нижнюю полку бытового холодильника. Для большинства элементов и батарей максимальное значение кратковременного потребления тока не должно быть больше 0,1…0,2 начальной емкости источника питания.

Для обеспечения работы радиоэлектронных устройств с большим потреблением мощности в течение длительного времени (до 50… 100 часов), необходимо чтобы среднее значение тока потребления было в 50…100 раз меньше начальной емкости источника.

В настоящее время выпускается несколько основных типов гальванических элементов и батарей: угольно-цинковые (марганец-цинковые), щелочные, литиевые, серебряно-цинковые, ртутно-литиевые.

Среди названных батареек самыми лучшими считаются литиевые, т.к. имеют большую емкость, самое большое напряжение и самый длительный срок хранения — до 7…10 лет. Литиевые батарейки являются и самыми дорогими по стоимости. Эти батарейки, в основном, используются для фото и кинокамер.

Серебряные и ртутные элементы выпускаются в виде миниатюрных дисков («таблеток») и их используют, в основном, в слуховых аппаратах и часах. Из первых двух типов наиболее широкое распространение имеют угольно-цинковые, как наиболее доступные по цене. Хотя щелочные батарейки и дороже угольно-цинковых по стоимости, но зато имеют лучшие характеристики. У них больше емкость и срок хранения.

Напряжение щелочных батареек несколько меньше уголь-но-цинковых, приблизительно на 0,1 В, но по мере разряда напряжение долгое время держится почти на одном уровне и только в конце резко падает.

Для того чтобы выделить этот тип батареек, зарубежные фирмы на них делают надпись «Alkaline» (щелочной элемент). На отечественном рынке гальванических элементов и батареек сейчас большой процент составляет продукция зарубежных стран.

На корпусе химического источника тока обязательно стоит его типоразмер по нескольким стандартам. На корпусах пальчиковых элементов можно встретить маркировку в основном по стандартам: Международной электротехнической комиссии (МКЭ) — R6 (солевой электролит) или LR6 (щелочной электролит), американский стандарт— АА, японский — АМЗ и российский— 316. Фирменные батарейки отличаются тем, что они, как привило, поступают в продажу запаянные в прозрачную пленку или в специальной картонно-пленочной упаковке.

При покупке батареек следует руководствоваться такими основными принципами: желательно покупать щелочные батарейки и не покупать батарейки с истекшим или не указанным сроком службы. Анализ результатов тестирования батареек различных фирм, приводимых в радиотехнических журналах, показывает, что по продолжительности работы лучшими являются:

• батарейки с солевым электролитом — TDK DINAMIC POWER, VARTA 3006 и 2006, SONY NEW ULTRA, SANYO SUPER, TOSHIBA Heavy Dury, GP GREENCELL, GP SUPERCELL, ENERMAX, DAEWOO, FUJI NOVEL;
• батарейки с щелочным электролитом — DURACELL, DURACELL ULTRA, ENERGIZER, ENERGIZER TESTER, SONY ALKALINE, PANASONIC POWER ALKALINE, TOSHIBA ALKALINE, POLAROID ALKALINE.

Несколько продлить срок службы гальванического элемента, у которого не поврежден стакан, можно путем вливания в него соответствующих растворов. Для этого больше подходят элементы без стальной обоймы, типа 373, 343 и т. д.

Для восстановления элемента в его торце со стороны плюсового вывода прокалывают несколько отверстий диаметром 2…3 мм на глубину 50 мм.Обычно 2 отверстия у угольного стержня, а 2 — у кромок цинкового стакана. Отверстия заполняют аммиаком водным техническим, используемым для удобрения или бытовых целей (марка «А», сорт 1).

Отверстия заполняют несколько раз по мере впитывания в течение 1…2 дней. После этого отверстия закрывают парафином, битумом или пластилином. Готовность к работе элемента проверяют лампочкой от карманного фонарика. При этом удается удлинить срок службы гальванического элемента на 20…40 часов. Если нет аммиака водного, то можно в отверстия залить аптечный нашатырный спирт или в крайнем случае обычную воду.

Литература: В. М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.

гальванических элементов — Chemistry LibreTexts

Химия — движущая сила магии батарей. Батарея представляет собой комплект из одного или нескольких гальванических элементов, используемых для производства и хранения электроэнергии химическими средствами. Гальванический элемент состоит, по крайней мере, из двух полуэлементов, ячейки восстановления и ячейки окисления. Химические реакции в двух полуэлементах обеспечивают энергию для работы гальванического элемента.

Каждая полуэлемент состоит из электрода и раствора электролита.Обычно раствор содержит ионы, полученные от электрода в результате реакции окисления или восстановления.

Гальванический элемент также называется гальваническим элементом . Самопроизвольные реакции в нем вырабатывают электрическую энергию или ток.

Две полуэлементы могут быть объединены в электролитическую ячейку , которая используется для электролиза. В этом случае электрическая энергия используется для инициирования неспонтанных химических реакций.

Реакции окисления и восстановления

Реакциям окисления и восстановления можно дать множество определений.С точки зрения электрохимии, следующее определение является наиболее подходящим, потому что оно позволяет нам увидеть, как электроны выполняют свою роль в химии батарей.

Примечание

Потеря электронов — это окисление (LEO), а усиление — электронов — восстановление (GER).

Реакции окисления и восстановления нельзя проводить отдельно. Они должны появиться вместе в химической реакции. Таким образом, реакции окисления и восстановления часто называют окислительно-восстановительными реакциями .-} \)

Окислитель является окислителем, а восстановитель является восстановителем.

восстановитель | окислитель или окислитель | восстановитель

Два члена пары представляют собой один и тот же элемент или соединение, но с разной степенью окисления. 2 + + Cu} \)

Обратите внимание, что в этой окислительно-восстановительной реакции кислород вообще не участвует.2 +} \) окислитель.

Теоретически любая окислительно-восстановительная пара может образовывать полуэлемент, а любые два полуэлемента могут объединяться в батарею, но у нас есть значительные технические трудности при объединении некоторых пар в половину элемента.

1.1: Гальванические элементы — Chemistry LibreTexts

Цели обучения

• Чтобы понять основы гальванических элементов
• Для подключения напряжения от гальванического элемента к лежащей в основе РЕДОКС химии

В любом электрохимическом процессе электроны переходят от одного химического вещества к другому в результате окислительно-восстановительной (окислительно-восстановительной) реакции.Окислительно-восстановительная реакция происходит, когда электроны переходят от окисляемого вещества к восстанавливаемому. Восстановитель — это вещество, которое теряет электроны и окисляется в процессе; Окислитель — это вещество, которое приобретает электроны и восстанавливается в процессе. Соответствующая потенциальная энергия определяется разностью потенциалов между валентными электронами в атомах разных элементов.

Поскольку восстановление невозможно без окисления и наоборот, окислительно-восстановительную реакцию можно описать как две полуреакции , одна из которых представляет процесс окисления, а другая — процесс восстановления.{-}} \ label {20.3.3} \]

Каждая полуреакция написана, чтобы показать, что на самом деле происходит в системе; \ (\ ce {Zn} \) — это восстановитель в этой реакции (он теряет электроны), а \ (\ ce {Br2} \) — окислитель (он получает электроны). Сложение двух половинных реакций дает общую химическую реакцию (Уравнение \ (\ PageIndex {1} \)). Окислительно-восстановительная реакция уравновешивается, когда количество электронов, потерянных восстановителем, равно количеству электронов, полученных окислителем. Как и любое сбалансированное химическое уравнение, весь процесс электрически нейтрален; то есть чистый заряд одинаков для обеих сторон уравнения.

В любой окислительно-восстановительной реакции количество электронов, потерянных в результате реакции (реакций) окисления, равно количеству электронов, полученных в результате реакции (реакций) восстановления.

В большинстве наших обсуждений химических реакций мы предполагали, что реагенты находятся в тесном физическом контакте друг с другом. Кислотно-основные реакции, например, обычно проводят с кислотой и основанием, диспергированными в одной фазе, такой как жидкий раствор. Однако с помощью окислительно-восстановительных реакций можно физически разделить полуреакции окисления и восстановления в космосе при условии, что существует полная цепь, включая внешнее электрическое соединение, такое как провод, между двумя полуреакциями.По мере развития реакции электроны перетекают от восстановителя к окислителю через это электрическое соединение, производя электрический ток, который можно использовать для выполнения работы. Устройство, которое используется для выработки электричества в результате спонтанной окислительно-восстановительной реакции или, наоборот, использует электричество для запуска неспонтанной окислительно-восстановительной реакции, называется электрохимическим элементом .

Есть два типа электрохимических ячеек: гальванические ячейки и электролитические ячейки. Гальванические клетки названы в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани (1737–1798), который наблюдал, как рассеченные мышцы ног лягушки подергиваются при воздействии небольшого электрического разряда, демонстрируя электрическую природу нервных импульсов.Гальванический (гальванический) элемент использует энергию, выделяемую во время спонтанной окислительно-восстановительной реакции (\ (ΔG <0 \)), для выработки электричества. Этот тип электрохимического элемента часто называют гальваническим элементом в честь его изобретателя, итальянского физика Алессандро Вольта (1745–1827). Напротив, электролитическая ячейка потребляет электрическую энергию от внешнего источника, используя ее для возникновения несамопроизвольной окислительно-восстановительной реакции (ΔG> 0). Оба типа содержат два электрода , которые представляют собой твердые металлы, подключенные к внешней цепи, которая обеспечивает электрическое соединение между двумя частями системы (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)). Половина реакции окисления происходит на одном электроде (анод ), а полуреакция восстановления происходит на другом (катод ). Когда цепь замкнута, электроны текут от анода к катоду. Электроды также соединены электролитом, ионным веществом или раствором, который позволяет ионам перемещаться между отсеками электродов, тем самым поддерживая электрическую нейтральность системы. В этом разделе мы сосредоточимся на реакциях, происходящих в гальванических элементах.

Мы можем вызвать эту реакцию, вставив цинковый стержень в водный раствор сульфата меди (II). По мере протекания реакции цинковый стержень растворяется, и образуется масса металлической меди. Эти изменения происходят спонтанно, но вся выделяемая энергия находится в форме тепла, а не в форме, которая может быть использована для выполнения работы.

Эту же реакцию можно провести с помощью гальванического элемента, показанного на рисунке \ (\ PageIndex {3a} \).Для сборки ячейки медная полоска вставляется в химический стакан, содержащий 1 М раствор ионов Cu ^{2 +} , а цинковая полоска вставляется в другой стакан, содержащий 1 М раствор Zn ² . ⁺ ионов. Две металлические полоски, которые служат в качестве электродов, соединены проводом, а отсеки соединены солевым мостиком , U-образной трубкой, вставленной в оба раствора, которые содержат концентрированную жидкость или гелеобразный электролит.Ионы в солевом мостике выбраны так, чтобы они не мешали электрохимической реакции, окисляясь или восстанавливаясь сами или образуя осадок или комплекс; обычно используемые катионы и анионы — это Na ⁺ или K ⁺ и NO ₃ ^— или SO ₄ ^2- соответственно. (Ионы в солевом мостике не обязательно должны быть такими же, как и в окислительно-восстановительной паре в любом из отсеков.) Когда контур замыкается, происходит самопроизвольная реакция: металлический цинк окисляется до ионов Zn ^{2 +} при цинковый электрод (анод), и ионы Cu ^{2 +} восстанавливаются до металлической Cu на медном электроде (катоде).По мере развития реакции полоска цинка растворяется, и концентрация ионов Zn ^{2 +} в растворе Zn ^{2 +} увеличивается; одновременно медная полоска набирает массу, и концентрация ионов Cu ^{2 +} в растворе Cu ^{2 +} уменьшается (рисунок \ (\ PageIndex {3b} \)). Таким образом, мы провели ту же реакцию, что и с использованием одного стакана, но на этот раз окислительная и восстановительная полуреакции физически отделены друг от друга.Электроны, которые высвобождаются на аноде, проходят через провод, создавая электрический ток. Таким образом, гальванические элементы преобразуют химическую энергию в электрическую, которую затем можно использовать для работы.

Электролит в солевом мостике служит двум целям: он замыкает цепь, неся электрический заряд, и поддерживает электрическую нейтральность в обоих растворах, позволяя ионам перемещаться между ними. Идентичность соли в солевом мостике не важна, пока составляющие ионы не вступают в реакцию или не подвергаются окислительно-восстановительной реакции в рабочих условиях ячейки. Без такого соединения общий положительный заряд в растворе Zn ^{2 +} увеличился бы по мере растворения металлического цинка, а общий положительный заряд в растворе Cu ^{2 +} уменьшился бы.Солевой мостик позволяет нейтрализовать заряды потоком анионов в раствор Zn ^{2 +} и потоком катионов в раствор Cu ^{2 +} . В отсутствие солевого мостика или какой-либо другой подобной связи реакция быстро прекратится, поскольку электрическая нейтральность не может быть сохранена.

Вольтметр можно использовать для измерения разницы электрических потенциалов между двумя отсеками. Открытие переключателя, который соединяет провода с анодом и катодом, предотвращает протекание тока, поэтому химическая реакция не происходит.Однако при замкнутом переключателе внешняя цепь замкнута, и электрический ток может течь от анода к катоду. Потенциал (\ (E_ {cell} \)) ячейки, измеренный в вольтах, представляет собой разность электрических потенциалов между двумя полуреакциями и связан с энергией, необходимой для перемещения заряженной частицы в электрическом поле. . В описанной нами ячейке вольтметр показывает потенциал 1,10 В (рисунок \ (\ PageIndex {3a} \)). Поскольку электроны из полуреакции окисления высвобождаются на аноде, анод в гальваническом элементе заряжается отрицательно.Катод, притягивающий электроны, заряжен положительно.

Не все электроды подвергаются химическому превращению во время окислительно-восстановительной реакции. Электрод может быть изготовлен из инертного металла с высокой проводимостью, такого как платина, чтобы предотвратить его реакцию во время окислительно-восстановительного процесса, где он не проявляется в общей электрохимической реакции. Это явление проиллюстрировано в Примере \ (\ PageIndex {1} \).

Гальванический (гальванический) элемент преобразует энергию, выделяемую в результате спонтанной химической реакции , в электрическую энергию.Электролитическая ячейка потребляет электроэнергию от внешнего источника для запуска несамопроизвольной химической реакции .

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Химик построил гальванический элемент, состоящий из двух стаканов. Один стакан содержит полоску олова, погруженную в водный раствор серной кислоты, а другой — платиновый электрод, погруженный в водный раствор азотной кислоты. Два раствора соединены солевым мостиком, а электроды соединены проволокой.{2+} (водн.) + 2НО (г) + 4х3О (л)} \ nonumber \]

Для этого гальванического элемента

1. запишите половину реакции, которая происходит на каждом электроде.
2. указывают, какой электрод является катодом, а какой — анодом.
3. указывают, какой электрод является положительным электродом, а какой — отрицательным.

Дано: гальванический элемент и окислительно-восстановительная реакция

Запрошено: полуреакций, идентичность анода и катода и назначение электродов как положительное или отрицательное

Стратегия:

1. Укажите полуреакцию окисления и полуреакцию восстановления.Затем определите анод и катод по полуреакции, которая происходит на каждом электроде.
2. В зависимости от направления потока электронов назначьте каждый электрод положительным или отрицательным.

Решение

A В полуреакции восстановления нитрат восстанавливается до оксида азота. (Оксид азота затем реагирует с кислородом воздуха с образованием NO ₂ с характерным красно-коричневым цветом.) В полуреакции окисления металлическое олово окисляется.{-}} \ nonumber \]

Таким образом, нитрат восстанавливается до NO, а оловянный электрод окисляется до Sn ^{2 +} .

Поскольку реакция восстановления происходит на платиновом электроде, это катод. Наоборот, реакция окисления происходит на оловянном электроде, то есть на аноде.

B Электроны текут от оловянного электрода через проволоку к платиновому электроду, где переходят в нитрат. Электрическая цепь замыкается солевым мостиком, который обеспечивает диффузию катионов к катоду и анионов к аноду.{-}} \ end {align *} \]

Построение схем ячеек (обозначение ячеек)

Поскольку описать словами любой данный гальванический элемент довольно сложно, были разработаны более удобные обозначения.В этой линейной записи, называемой диаграммой ячейки, идентичность электродов и химический состав отсеков указываются их химическими формулами, причем анод написан слева, а катод — справа. Фазовые границы показаны одиночными вертикальными линиями, а солевой мостик, который имеет две фазовые границы, — двойной вертикальной линией. Таким образом, диаграмма ячеек для ячейки \ (\ ce {Zn / Cu} \), показанная на рисунке \ (\ PageIndex {3a} \), записывается следующим образом:

Гальванические элементы могут иметь иное устройство, нежели примеры, которые мы видели до сих пор. Например, напряжение, возникающее в результате окислительно-восстановительной реакции, можно более точно измерить, используя два электрода, погруженные в один стакан, содержащий электролит, замыкающий цепь. Такое расположение снижает ошибки, вызванные сопротивлением потоку заряда на границе, называемым потенциалом перехода . Вот один пример гальванического элемента этого типа:

\ [\ ce {Pt (s) \, | \, h3 (g) | HCl (водный) \, | \, AgCl (s) \, Ag (s)} \ label {20.+ _ {(aq)}} \ label {20.3.8} \]

Однокамерный гальванический элемент будет первоначально показывать такое же напряжение, как и гальванический элемент, построенный с использованием отдельных отсеков, но он будет быстро разряжаться из-за прямой реакции реагента на аноде с окисленным элементом катодной окислительно-восстановительной пары. Следовательно, элементы этого типа не особенно полезны для производства электроэнергии.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Нарисуйте схему гальванического элемента, описанного в примере \ (\ PageIndex {1} \).{2 +} (водн.) + 2NO (g) + 4h3O (l)} \ nonumber \]

Дано: гальванический элемент и окислительно-восстановительная реакция

Запрошено: Схема ячеек

Стратегия:

Используя описанные символы, напишите диаграмму ячейки, начиная с полуреакции окисления слева.

Решение

Анодом является оловянная полоска, а катодом — электрод \ (\ ce {Pt} \). Начиная с анода слева, вертикальной чертой обозначим фазовую границу между электродом и раствором олова.{-}} \)) не участвует в общей реакции, поэтому не требует специального указания. Катодный отсек содержит водный раствор азотной кислоты, который участвует в общей реакции, вместе с продуктом реакции (\ (\ ce {NO} \)) и электродом \ (\ ce {Pt} \). Они записываются как \ (\ ce {HNO3 (aq) ∣NO (g) ∣Pt (s)} \) с одиночными вертикальными полосами, обозначающими границы фаз. {2 +} (aq) \, || \, HNO3 (aq) \, | \, NO (g) \, | \, Pt_ ( s)} \ nonumber \]

Концентрации раствора не указаны, поэтому они не включены в эту диаграмму ячеек.+ (aq, \; 1 \; M) \, | \, Ag (s)} \ nonumber \]

Сводка

Гальванический (гальванический) элемент использует энергию, выделяемую во время спонтанной окислительно-восстановительной реакции, для выработки электричества, тогда как электролитический элемент потребляет электрическую энергию от внешнего источника, чтобы вызвать реакцию. Электрохимия — это изучение взаимосвязи между электричеством и химическими реакциями. Реакция окисления-восстановления, которая происходит во время электрохимического процесса, состоит из двух полуреакций, одна представляет собой процесс окисления, а другая — процесс восстановления.Сумма полуреакций дает общую химическую реакцию. Общая окислительно-восстановительная реакция уравновешивается, когда количество электронов, потерянных восстановителем, равно количеству электронов, полученных окислителем. Электрический ток вырабатывается потоком электронов от восстановителя к окислителю. Электрохимическая ячейка может либо генерировать электричество в результате спонтанной окислительно-восстановительной реакции, либо потреблять электричество для запуска несамопроизвольной реакции. В гальваническом (гальваническом) элементе энергия спонтанной реакции генерирует электричество, тогда как в электролитическом элементе электрическая энергия расходуется для запуска неспонтанной окислительно-восстановительной реакции.В обоих типах ячеек используются два электрода, которые обеспечивают электрическое соединение между системами, разделенными в пространстве. Окислительная полуреакция происходит на аноде, а восстановительная полуреакция происходит на катоде. Солевой мостик соединяет разделенные растворы, позволяя ионам перемещаться в любой раствор, обеспечивая электрическую нейтральность системы. Вольтметр — это устройство, которое измеряет поток электрического тока между двумя полуреакциями. Потенциал ячейки, измеряемый в вольтах, — это энергия, необходимая для перемещения заряженной частицы в электрическом поле. Электрохимическая ячейка может быть описана с использованием линейных обозначений, называемых диаграммой ячейки, на которой вертикальные линии указывают границы фаз и расположение солевого мостика. Сопротивление потоку заряда на границе называется потенциалом перехода.

Коммерческие гальванические элементы

Поскольку гальванические элементы могут быть автономными и портативными, их можно использовать в качестве батарей и топливных элементов. Батарея (аккумулятор) Гальванический элемент (или ряд гальванических элементов), содержащий все реагенты, необходимые для производства электричества.представляет собой гальванический элемент (или ряд гальванических элементов), содержащий все реагенты, необходимые для производства электричества. Напротив, топливный элемент — гальванический элемент, который требует постоянного внешнего источника одного или нескольких реагентов для выработки электроэнергии. представляет собой гальванический элемент, который требует постоянного внешнего источника одного или нескольких реагентов для выработки электричества. В этом разделе мы описываем химию некоторых наиболее распространенных типов батарей и топливных элементов.

Аккумуляторы

Есть два основных типа батарей: одноразовые, или первичные, , батареи, в которых электродные реакции практически необратимы и которые не могут быть перезаряжены; и перезаряжаемые или вторичные батареи, которые образуют нерастворимый продукт, который прилипает к электродам.Эти батареи можно перезаряжать, подавая электрический потенциал в обратном направлении. В процессе перезарядки аккумуляторная батарея временно преобразуется из гальванической ячейки в электролитическую.

Батареи — это тщательно спроектированные устройства, основанные на тех же фундаментальных законах, что и гальванические элементы. Основное различие между батареями и гальваническими элементами, которые мы описали ранее, заключается в том, что в коммерческих батареях в качестве реагентов используются твердые вещества или пасты, а не растворы, чтобы максимизировать электрическую мощность на единицу массы. Использование высококонцентрированных или твердых реагентов имеет еще один положительный эффект: концентрации реагентов и продуктов не сильно меняются по мере разряда батареи; следовательно, выходное напряжение остается стабильным во время процесса разряда. Такое поведение отличается от поведения ячейки Zn / Cu, выход которой логарифмически уменьшается по мере протекания реакции (рис. 19.11 «Вариация»). Когда батарея состоит из более чем одного гальванического элемента, элементы обычно подключаются последовательно, то есть положительная (+) клемма одной ячейки соединяется с отрицательной (-) клеммой следующего и т. Д.Таким образом, общее напряжение батареи является суммой напряжений отдельных ячеек.

Сухая камера Leclanché

Сухой элемент, безусловно, самый распространенный тип батарей, используется в фонариках, электронных устройствах, таких как Walkman и Game Boy, и во многих других устройствах. Хотя сухой элемент был запатентован в 1866 году французским химиком Жоржем Лекланше, и ежегодно продается более 5 миллиардов таких элементов, детали химического состава его электродов до сих пор полностью не изучены. Несмотря на название, сухая батарея Leclanché — это батарея, состоящая из электролита, представляющего собой кислотную пасту на водной основе, содержащую MnO2, Nh5Cl, ZnCl2, графит и крахмал. фактически является «влажным элементом»: электролит представляет собой кислотную пасту на водной основе, содержащую MnO ₂ , NH ₄ Cl, ZnCl ₂ , графит и крахмал (часть (а) на рисунке 19.13 «Три вида Первичные (неперезаряжаемые) батареи »). Половозвращения на аноде и катоде можно резюмировать следующим образом:

Уравнение 19.74

Уравнение 19.75

Ионы Zn ²⁺ , образующиеся при окислении Zn (ов) на аноде, реагируют с NH ₃ , образовавшимися на катоде, и ионами Cl ^—, присутствующими в растворе, поэтому общая реакция в ячейке выглядит следующим образом:

Уравнение 19. 76

Сухой элемент выдает около 1,55 В и недорог в производстве. Однако это не очень эффективно для производства электроэнергии, потому что только относительно небольшая часть MnO ₂ , которая находится рядом с катодом, фактически восстанавливается, и только небольшая часть цинкового катода фактически потребляется при разряде элемента.Кроме того, сухие элементы имеют ограниченный срок хранения, поскольку анод из цинка самопроизвольно реагирует с NH ₄ Cl в электролите, вызывая коррозию корпуса и позволяя содержимому вытекать.

Щелочная батарея Батарея, состоящая из элемента Лекланше, адаптированная для работы в щелочных (основных) условиях. По сути, это элемент Лекланше, приспособленный для работы в щелочных или щелочных условиях. Половинки, которые происходят в щелочной батарее, следующие:

Уравнение 19.77

Уравнение 19.78

Уравнение 19.79

Эта батарея тоже выдает около 1.5 В, но у него более длительный срок хранения и более постоянное выходное напряжение при разряде элемента, чем у сухого элемента Лекланше. Хотя производство щелочных батарей дороже, чем сухих элементов Leclanché, улучшенные характеристики делают эту батарею более рентабельной.

Батарейки кнопочные

Хотя некоторые из небольших батареек button , используемых для питания часов, калькуляторов и фотоаппаратов, представляют собой миниатюрные щелочные элементы, большинство из них основаны на совершенно другом химическом составе. В этих батареях анодом является цинк-ртутная амальгама, а не чистый цинк, а в катоде в качестве окислителя используется либо HgO, либо Ag ₂ O, а не MnO ₂ (часть (b) на рисунке 19.13 «Три вида Первичные (неперезаряжаемые) батареи »). Катодные и общие реакции и выход ячеек для этих двух типов кнопочных батарей следующие:

Уравнение 19.80

Уравнение 19.81

Уравнение 19.82

Уравнение 19. 83

Основными преимуществами ртутных и серебряных элементов являются их надежность и высокое отношение выходной мощности к массе.Эти факторы делают их идеальными для приложений, где малый размер имеет решающее значение, например, для камер и слуховых аппаратов. К недостаткам относится дороговизна и экологические проблемы, вызванные удалением тяжелых металлов, таких как Hg и Ag.

Литий-йодная батарея

Ни одна из описанных выше батарей на самом деле не является «сухой». Все они содержат небольшое количество жидкой воды, которая значительно увеличивает массу и вызывает потенциальные проблемы с коррозией. Следовательно, значительные усилия были затрачены на разработку безводных батарей.

Одной из немногих коммерчески успешных безводных батарей является литий-йодная батарея Батарея, которая состоит из анода из металлического лития и катода, содержащего твердый комплекс I2, со слоем твердого LiI между ними, который позволяет диффузию Li + ионы . . Анод — металлический литий, а катод — твердый комплекс I ₂ . Их разделяет слой твердого LiI, который действует как электролит, обеспечивая диффузию ионов Li ⁺ .Электродные реакции следующие:

Уравнение 19.84

Уравнение 19.85

Уравнение 19.86

Кардиостимулятор. Рентгеновский снимок пациента, показывающий расположение и размер кардиостимулятора, работающего от литий-йодной батареи.

Как показано в части (c) на рисунке 19.13 «Три вида первичных (неперезаряжаемых) батарей», типичная литий-йодная батарея состоит из двух элементов, разделенных металлической никелевой сеткой, которая собирает заряд с анода. Из-за высокого внутреннего сопротивления, вызванного твердым электролитом, может потребляться только слабый ток.Тем не менее, такие батареи оказались долговечными (до 10 лет) и надежными. Поэтому они используются в приложениях, где частая замена затруднительна или нежелательна, например, в кардиостимуляторах и других медицинских имплантатах, а также в компьютерах для защиты памяти. Эти батареи также используются в охранных передатчиках и дымовых пожарных извещателях. Другие батареи на основе литиевых анодов и твердых электролитов находятся в стадии разработки, используя, например, TiS ₂ в качестве катода.

Рисунок 19.13 Три вида первичных (неперезаряжаемых) батарей

(a) Сухой элемент Лекланше на самом деле является «влажным элементом», в котором электролит представляет собой пасту на водной основе, содержащую MnO ₂ , NH ₄ Cl, ZnCl ₂ , графит и крахмал. Несмотря на дешевизну в производстве, элемент не очень эффективен в производстве электроэнергии и имеет ограниченный срок хранения. (b) В кнопочной батарее анодом является цинк-ртутная амальгама, а катодом может быть HgO (показано здесь) или Ag ₂ O в качестве окислителя.Кнопочные батарейки надежны и имеют высокое отношение выходной мощности к массе, что позволяет использовать их в таких приложениях, как калькуляторы и часы, где их небольшой размер имеет решающее значение. (c) Литий-йодная батарея состоит из двух элементов, разделенных металлической никелевой сеткой, которая собирает заряд с анодов. Анодом является металлический литий, а катодом — твердый комплекс I ₂ . Электролит представляет собой слой твердого LiI, который позволяет ионам Li ⁺ диффундировать от катода к аноду.Хотя этот тип батареи вырабатывает относительно небольшой ток, он очень надежен и долговечен.

Сухие элементы, кнопочные батареи и литий-йодные батареи являются одноразовыми и не подлежат перезарядке после разряда. Напротив, аккумуляторные батареи обладают значительными экономическими и экологическими преимуществами, поскольку их можно перезаряжать и разряжать многократно. В результате затраты на производство и утилизацию резко снижаются за определенное количество часов использования батареи.Две распространенные аккумуляторные батареи — это никель-кадмиевая батарея и свинцово-кислотная батарея, о которых мы расскажем далее.

Никель-кадмиевый (NiCad) аккумулятор

Никель-кадмиевый аккумулятор типа А, который состоит из элемента на водной основе с кадмиевым анодом и сильно окисленным никелевым катодом. Или NiCad , аккумулятор используется в небольших электрических приборах и устройствах, таких как дрели, портативные пылесосы и Цифровые тюнеры AM / FM. Это элемент на водной основе с кадмиевым анодом и сильно окисленным никелевым катодом, который обычно называют оксогидроксидом никеля (III), NiO (OH).Как показано на Рисунке 19.14 «Никель-кадмиевая (NiCad) батарея, аккумуляторная батарея», конструкция максимизирует площадь поверхности электродов и минимизирует расстояние между ними, что снижает внутреннее сопротивление и делает возможным довольно высокий ток разряда.

Рисунок 19.14 Никель-кадмиевый (NiCad) аккумулятор, аккумулятор

содержат кадмиевый анод и сильно окисленный никелевый катод. Такая конструкция увеличивает площадь поверхности электродов и минимизирует расстояние между ними, что дает батарее как высокий ток разряда, так и большую емкость.

Электродные реакции при разряде никель-кадмиевой батареи следующие:

Уравнение 19.87

Уравнение 19.88

Уравнение 19.89

Поскольку продуктами полуреакций разряда являются твердые частицы, которые прилипают к электродам [Cd (OH) ₂ и 2Ni (OH) ₂ ], общая реакция легко обращает вспять, когда элемент перезаряжается. Хотя никель-кадмиевые элементы легкие, перезаряжаемые и обладают большой емкостью, они имеют определенные недостатки. Например, они имеют тенденцию быстро терять емкость, если им не дать полностью разрядиться перед подзарядкой, они плохо хранятся в течение длительного периода после полной зарядки и представляют собой серьезные проблемы для окружающей среды и утилизации из-за токсичности кадмия.

Разновидностью никель-кадмиевой батареи является никель-металл-гидридная батарея (NiMH), используемая в гибридных автомобилях, устройствах беспроводной связи и мобильных компьютерах. Общее химическое уравнение для этого типа батареи выглядит следующим образом:

NiMH аккумулятор имеет на 30-40% больше емкости по сравнению с никель-кадмиевым аккумулятором; он более экологичен, поэтому хранение, транспортировка и утилизация не подлежат экологическому контролю; и он не так чувствителен к подзарядке памяти. Однако он имеет на 50% большую скорость саморазряда, ограниченный срок службы и более высокий уровень обслуживания, и он дороже, чем никель-кадмиевый аккумулятор.

Свинцово-кислотный аккумулятор (Свинцовый аккумулятор)

Свинцово-кислотный аккумулятор Аккумулятор, состоящий из пластины или сетки из губчатого металлического свинца, катода, содержащего порошкообразный PbO2, и электролита, который обычно представляет собой водный раствор h3SO4. используется для обеспечения пусковой мощности практически в каждом автомобильном и судовом двигателе, представленном на рынке.Морские и автомобильные батареи обычно состоят из нескольких последовательно соединенных элементов. Общее напряжение, генерируемое батареей, равно потенциалу на элемент ( E, °, _{, элемент} ), умноженному на количество элементов. Как показано на рисунке 19.15 «Один элемент свинцово-кислотной батареи», анод каждого элемента свинцовой аккумуляторной батареи представляет собой пластину или решетку из губчатого металлического свинца, а катод представляет собой аналогичную решетку, содержащую порошкообразный диоксид свинца (PbO ₂ ). Электролит обычно представляет собой приблизительно 37% -ный (по массе) раствор серной кислоты в воде с плотностью 1.28 г / мл (около 4,5 M H ₂ SO ₄ ). Поскольку окислительно-восстановительные активные частицы представляют собой твердые частицы, нет необходимости разделять электроды. Электродные реакции в каждой ячейке во время разряда следующие:

Уравнение 19.90

Уравнение 19.91

Уравнение 19.92

Рисунок 19.15 Один элемент свинцово-кислотной батареи

Аноды в каждой ячейке аккумуляторной батареи представляют собой пластины или сетки из свинца, содержащие губчатый металлический свинец, в то время как катоды представляют собой аналогичные сетки, содержащие порошкообразный диоксид свинца (PbO ₂ ). Электролит — водный раствор серной кислоты.Значение E ° для такого элемента составляет около 2 В. При последовательном соединении трех таких элементов получается аккумулятор на 6 В, тогда как типичный автомобильный аккумулятор на 12 В содержит шесть последовательно соединенных элементов. При правильном обращении этот тип аккумулятора большой емкости можно многократно разряжать и перезаряжать.

По мере разряда ячейки на электродах образуется порошок PbSO ₄ . Кроме того, серная кислота потребляется и образуется вода, что снижает плотность электролита и обеспечивает удобный способ контроля состояния батареи путем простого измерения плотности электролита.

Когда к свинцово-кислотной батарее подается внешнее напряжение, превышающее 2,04 В на элемент, электродные реакции меняются, и PbSO ₄ преобразуется обратно в металлический свинец и PbO ₂ . Однако, если аккумулятор заряжается слишком сильно, может произойти электролиз воды, что приведет к выделению потенциально взрывоопасного газообразного водорода. (Для получения дополнительной информации об электролизе см. Раздел 19.7 «Электролиз».) Образовавшиеся таким образом пузырьки газа могут вытеснить некоторые частицы PbSO ₄ или PbO ₂ из решеток, позволяя им упасть на дно решетки. ячейке, где они могут накапливаться и вызывать внутреннее короткое замыкание.Таким образом, процесс перезарядки необходимо тщательно контролировать, чтобы продлить срок службы батареи. Однако при надлежащем уходе свинцово-кислотный аккумулятор можно разрядить и перезарядить тысячи раз. В автомобилях генератор переменного тока подает электрический ток, который вызывает обратную реакцию разряда.

Топливные элементы

Топливный элемент — это гальванический элемент, который требует постоянной внешней подачи реагентов, потому что продукты реакции постоянно удаляются.В отличие от батареи, он не накапливает химическую или электрическую энергию; топливный элемент позволяет извлекать электрическую энергию непосредственно из химической реакции. В принципе, это должен быть более эффективный процесс, чем, например, сжигание топлива для приведения в действие двигателя внутреннего сгорания, который включает генератор, который обычно имеет КПД менее 40%, а на самом деле КПД топливного элемента обычно составляет от 40% до 60%. К сожалению, значительные проблемы с ценой и надежностью препятствовали широкому внедрению топливных элементов.На практике их использование ограничено приложениями, в которых масса может быть существенным фактором затрат, например пилотируемыми космическими аппаратами США.

В этих космических аппаратах используется водородно-кислородный топливный элемент, для которого требуется постоянный ввод H ₂ (г) и O ₂ (г), как показано на Рис. 19.16 «Водородный топливный элемент вырабатывает электрическую энергию непосредственно из химического вещества. Реакция ». Электродные реакции следующие:

Уравнение 19.93

Уравнение 19. 94

Уравнение 19.95

Рис. 19.16 Водородный топливный элемент вырабатывает электрическую энергию непосредственно в результате химической реакции

Водород окисляется до протонов на аноде, и электроны передаются через внешнюю цепь на катод, где кислород восстанавливается и соединяется с H ⁺ с образованием воды.Твердый электролит позволяет протонам диффундировать от анода к катоду. Хотя топливные элементы представляют собой практически экологически чистые средства получения электроэнергии, их стоимость и технологическая сложность до сих пор ограничивали их применение.

Общая реакция представляет собой практически экологически чистое преобразование водорода и кислорода в воду, которая затем собирается и используется в космических аппаратах. Хотя этот тип топливного элемента должен выдавать 1,23 В при стандартных условиях, на практике устройство выдает только около 0.9 В. Одним из основных препятствий к достижению большей эффективности является тот факт, что четырехэлектронное восстановление O ₂ (g) на катоде по сути является довольно медленным, что ограничивает ток, который может быть достигнут. Все основные производители автомобилей проводят крупные исследовательские программы, связанные с топливными элементами: одна из наиболее важных целей — разработка лучшего катализатора для восстановления O ₂ .

Сводка

Батарея — это замкнутая единица, вырабатывающая электричество, тогда как топливный элемент — это гальванический элемент, которому для выработки электричества требуется постоянный внешний источник одного или нескольких реагентов.Одним из типов батарей является сухой элемент Leclanché , который содержит электролит в кислой пасте на водной основе. Эта батарея называется щелочной батареей , если она адаптирована для работы в щелочных условиях. Кнопочные батареи имеют высокое отношение мощности к массе; Литий-йодные батареи состоят из твердого электролита; никель-кадмиевый аккумулятор (NiCad) перезаряжаемый; и свинцово-кислотная батарея , которая также является перезаряжаемой, не требует, чтобы электроды находились в отдельных отсеках.Топливный элемент требует внешней подачи реагентов, поскольку продукты реакции постоянно удаляются. В топливном элементе энергия не сохраняется; электрическая энергия обеспечивается химической реакцией.

Ключевые вынос

• Коммерческие батареи — это гальванические элементы, в которых в качестве реагентов используются твердые частицы или пасты, чтобы максимизировать электрическую мощность на единицу массы.

Концептуальные проблемы

1. Какие преимущества дает использование щелочных батарей по сравнению с сухими элементами Leclanché?

2. Почему плотность жидкости в свинцово-кислотных аккумуляторах падает, когда аккумулятор разряжен?

3. Какой тип батареи вы бы использовали для каждого приложения и почему?

   1. привод электросамоката
   2. резервный аккумулятор для смартфона
   3. питание iPod

4. Почему гальванические элементы используются в качестве батарей и топливных элементов? В чем разница между батареей и топливным элементом? В чем преимущество использования высококонцентрированных или твердых реагентов в батарее?

Ответ

3. 1. аккумулятор свинцовый
   2. литий-йодная батарея
   3. NiCad, NiMH или литий-ионный аккумулятор (перезаряжаемый)

Числовая задача

1. Эта реакция характерна для свинцовой аккумуляторной батареи:

   Pb (s) + PbO ₂ (s) + 2H ₂ SO ₄ (водн. ) → 2PbSO ₄ (s) + 2H ₂ O (л)

   Если у вас аккумулятор с электролитом с плотностью 1.15 г / см ³ и содержит 30,0% серной кислоты по массе, потенциал больше или меньше, чем у стандартной ячейки?

Ответ

1. [H ₂ SO ₄ ] = 3,52 M; E > E °

Ячейки гальванические и электролитические

Гальванические и электролитические элементы

В нашем отделении по мониторингу диабета внедрены электрохимические и электрохимические элементы.Вы можете просмотреть эту страницу здесь. Электрохимические ячейки находятся в цепи , которая позволяет переносить электроны через нее. Ячейка включает:

• анод , электрод, на котором происходит окисление
• a катод , электрод, на котором происходит восстановление
• электролит , чтобы обеспечить проводимость ионов внутри раствора в каждой половине ячейки
• солевой мостик или полупроницаемая мембрана для обеспечения проводимости ионов между половинками ячеек
• внешняя цепь , которая соединяет два электрода, включает провода, нагрузку и счетчики

Гальванические элементы

Электрохимический элемент, который выделяет энергию, называется гальваническим элементом . Электрохимическая реакция имеет отрицательное значение свободной энергии Гиббса и положительную разность потенциалов ячейки.

Ниже представлен гальванический элемент, в котором реакция между A ⁺ и B является экзотермической, с G = -10 кДж / моль при стандартных условиях и значением E ⁰ , равным 0,10 В.

---

Водородный электрод и полуреакции

У нас есть таблицы, которые показывают полуреакции восстановления. Как их получить?

Электрохимическая реакция в электрохимической ячейке требует как полуреакции восстановления, так и полуреакции окисления.Вольтметр в цепи показывает полное напряжение элемента ( E _до = E _{красный} + E _ox ). Мы можем определить потенциалы половины ячейки, измерив напряжение ячейки, которая включает эту половину ячейки вместе со стандартной полуячейкой с известным потенциалом.

Принятый стандартный электрод — водородный электрод. Он состоит из полуячейки с инертным металлическим электродом, H ₂ (г) при давлении 1 атмосфера, и 1 М водного раствора кислоты.

В режиме восстановления:

2H ⁺ + 2e ^— H ₂
E _{красный} = 0,00 В

В режиме окисления:

H ₂ 2H ⁺ + 2e ^—
E _{красный} = 0,00 В

Здесь вы можете видеть, что потенциал полуэлемента, в котором Cu ⁺² сокращается до Cu, составляет 0,34 В.

редукция		Cu +2 + 2e — Cu		E красный = x
окисление		H 2 2H + + 2e —		E вол = 0.00 В
нетто		Cu +2 + H 2 Cu + 2H +		E общ = 0,34 В

Ячейки электролитические

В электролитической ячейке происходит эндотермическая химическая реакция. Реакция не является спонтанной, поэтому требуется источник энергии. Энергия хранится в электрохимической ячейке. Эта энергия может быть высвобождена, когда элементу разрешено работать в гальваническом режиме.

Справа вверху — гальванический элемент, который мы видели ранее. Молекулы A и B ⁺ образуются, и выделяется энергия. Электрод на левой стороне ячейки является катодом, потому что A ⁺ уменьшается до A на этом электроде.

Вверху слева такая же ячейка в электролитическом режиме. Источник энергии заставляет реакцию идти в направлении, противоположном спонтанному направлению. Теперь производятся A ⁺ и B. Электрод справа является катодом, потому что здесь B ⁺ уменьшено до B.

Назад Компас Столы Индекс Вступление Следующий

СЧ5У Электрохимия: клеточные реакции

Гальваническая, вольтаическая и реакции клеток Даниелла

Гальванический элемент также называется гальваническим элементом или Дэниэл клетка. Обычная бытовая батарея является примером гальванический клетка. Поток электронов от одной химической реакции к другой происходит через внешнюю цепь, в результате чего получается ток . Текущий измеряется в амперах (А) и является мерой количества электронов которые проходят через определенную точку в цепи в любой момент.

Это простая окислительно-восстановительная реакция, в которой обе клетки комбинированный в один. Есть поток электронов, но не через внешний схема.

Одна половина ячейки отделена от другой пористый барьер, иногда называется полупроницаемым барьером или физическим солевым мостиком как на схеме ниже.Металлические полосы называются электроды а растворенные солевые растворы — электролиты.

Чтобы помочь запомнить, какой электрод работает, химическая пневмония термин «REDCAT» т. е. Восстановление (КРАСНЫЙ) происходит на катоде (CAT), и окисление происходит на аноде. Это химический взгляд на это.

Физики скажут вам, что катод положительный (+ ve) и анод отрицательный (-ve), и электроны текут от анода к катод через внешнюю цепь.

Видите ли вы внутренний конфликт между этими двумя заявления. Если восстановление происходит на катоде, то катод должен иметь то избыток электронов, но он помечен как положительный (+ ve). Если катод был избыточным, то анод должен иметь дефицит электроны все же он помечен как отрицательный (-ve). Почему это???

Это исходит из старой причинно-следственной концепции. Мы используются смотреть на поток электронов (электричество), который мы почти никогда не остановитесь, чтобы посмотреть, что вызвало поток. Вот где наука химии входит. Причины, по которым поток электронов начинается не с потока электроны. Он начинается с двух металлов, один из которых сильнее в своем желании электроны чем другой. (т. е. изгибы деревьев не заставляют ветер удар либо)

Давайте посмотрим, сможем ли мы уточнить это: 1. Металл с большим желанием электроны; т.е. чем выше электроотрицательность, тем меньше будет. В металл ионы в электролите крадут электроны у металла полоска. Это приводит к тому, что ионы металла восстанавливаются до атома металла. В полоска металла, потеряв электроны, становится более положительной.

2. Дефицит электронов на катоде означает что там теперь избыток электронов на аноде. т.е. Анод сейчас отрицательный по сравнению с катодом. (Это точка зрения физики)

3.Электроны текут от анода -ve к + ve катод чтобы заменить электроны, потерянные в реакции восстановления.

4. Поскольку количество электронов на аноде падает, является притяжение электронов в электроде. Как электроны попадают удаленный от электрода атомы металла в электроде отдают свои электроны, превращаются в положительные ионы, и эти положительные ионы растворяются в электролит решение.

5. Если соляного мостика нет, ячейка то есть выполнение сокращения станет очень негативным, потому что отрицательный анион должен оставаться, пока все положительные катионы уменьшенный. Ячейка, выполняющая окисление, станет очень позитивной, потому что образования положительных ионов. В конечном итоге это накопление остановить реакции, так как положительная клетка создаст такой большой положительный заряд, что он станет более привлекательным для электрон поток, что исходный катодный металлический электрод.В то же время построить большого отрицательного заряда в катодном элементе начнет отталкивать или противодействовать потоку электронов. Соляной мост между две ячейки позволяют сбалансировать электролиты, так что это накопление делает не состоится. Отрицательные анионы из восстановительной ячейки реагируют с положительными катионами, образующимися в ячейке окисления, нейтрализующими их обвинения.

Чтобы получить общую реакцию, которая имеет место в электрохимический ячейка, реакция ячейки, просто добавьте отдельные электродные реакции вместе.Перед тем как это сделать, убедитесь, что количество электронов получил равно количеству потерянных электронов. Это требование, чтобы каждый окислительно-восстановительная реакция должна подчиняться. Умножьте половину реакции на общий несколько чтобы достичь этого равного числа.

Na + (водн.) + E — -> Na (s) (катод) Cl — (л) -> Cl 2 (г) + 2e — (анод) 2 Na + (л) + 2 класса — (л) + 2e — -> 2 Na (l) + Cl 2 (г) + 2e — (клеточная реакция)

Затем завершите реакцию, отменив аналогичные условия на либо сторона ——>.Общая клеточная реакция следовательно: 2 Na + (л) + 2 Cl — (л) -> 2 Na (л) + Cl 2 (г)

Гальванические элементы | Введение в химию

Цель обучения

• Напомним, что восстановление происходит на катоде, а окисление происходит на аноде в гальваническом элементе

---

Ключевые моменты

• Окисление описывает потерю электронов молекулой, атомом или ионом.
• Редукция описывает усиление электронов молекулой, атомом или ионом.
• Электроны всегда текут от анода к катоду.
• Полуячейки соединены солевым мостиком, который позволяет ионам в растворе перемещаться из одной полуячейки в другую, так что реакция может продолжаться.

---

Условия

• гальванический элемент Элемент, например, в батарее, в котором необратимая химическая реакция генерирует электричество; аккумулятор, который нельзя перезарядить.
• редокс — обратимая химическая реакция, в которой одна реакция — окисление, а обратная — восстановление.
• полуячейка Любая из двух частей электрохимической ячейки, содержащая электрод и электролит.

---

Электрохимическая ячейка — это устройство, вырабатывающее электрический ток из энергии, выделяющейся в результате спонтанной окислительно-восстановительной реакции. Этот тип ячейки включает гальваническую или гальваническую ячейку, названную в честь Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта. Эти ученые провели несколько экспериментов с химическими реакциями и электрическим током в конце 18 века.

Электрохимические ячейки имеют два токопроводящих электрода, называемых анодом и катодом. Анод определяется как электрод, на котором происходит окисление. Катод — это электрод, на котором происходит восстановление. Электроды могут быть изготовлены из любых достаточно проводящих материалов, таких как металлы, полупроводники, графит и даже проводящие полимеры. Между этими электродами находится электролит, содержащий ионы, которые могут свободно перемещаться.

В гальваническом элементе используются два разных металлических электрода, каждый в растворе электролита.Анод подвергнется окислению, а катод — восстановлению. Металл анода будет окисляться, переходя от степени окисления 0 (в твердой форме) к положительной степени окисления, и он станет ионом. На катоде ион металла в растворе будет принимать один или несколько электронов от катода, и степень окисления иона снизится до 0. Это образует твердый металл, который откладывается на катоде. Два электрода должны быть электрически соединены друг с другом, чтобы позволить потоку электронов, который покидает металл анода и проходит через это соединение к ионам на поверхности катода.Этот поток электронов представляет собой электрический ток, который можно использовать для работы, например, для поворота двигателя или включения света.

Пример реакции

Принцип действия гальванического элемента — это одновременная реакция окисления и восстановления, называемая окислительно-восстановительной реакцией. Эта окислительно-восстановительная реакция состоит из двух полуреакций. В типичном гальваническом элементе окислительно-восстановительная пара — это медь и цинк, представленные в следующих реакциях полуэлементов:

Цинковый электрод (анод): Zn (s) → Zn ²⁺ (водн.) + 2 e ^—

Медный электрод (катод): Cu ²⁺ (водн.) + 2 e ^— → Cu (s)

Ячейки построены в отдельных стаканах.Металлические электроды погружены в растворы электролита. Каждая полуячейка соединена солевым мостиком, который обеспечивает свободный перенос ионных частиц между двумя клетками. Когда цепь замыкается, ток течет, и ячейка «производит» электрическую энергию.

Гальваническая или гальваническая ячейка Ячейка состоит из двух полуэлементов, соединенных солевым мостиком или проницаемой мембраной. Электроды погружены в растворы электролита и подключаются через электрическую нагрузку.- \ rightarrow Cu [/ латекс]). Во время реакции будет использоваться цинковый электрод, и металл будет уменьшаться в размерах, в то время как медный электрод станет больше из-за осажденной меди, которая образуется. Соляной мостик необходим, чтобы заряд не проходил через элемент. Без солевого мостика электроны, образующиеся на аноде, будут накапливаться на катоде, и реакция прекратится.

Гальванические элементы обычно используются в качестве источника электроэнергии. По своей природе они производят постоянный ток.Батарея — это набор гальванических элементов, соединенных параллельно. Например, свинцово-кислотная батарея имеет элементы, аноды которых состоят из свинца, а катоды — из диоксида свинца.

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Металлацикл · Гальванические элементы

Гальванические элементы преобразуют химическую энергию в электрическую.В последующем обсуждении мы исследуем, как устроены гальванические элементы физически и как мы можем измерять и прогнозировать напряжение, создаваемое гальваническим элементом известного состава.

Теория гальванических элементов

Основным практическим аппаратом электрохимии является ячейка, устройство, которое преобразует изменение свободной энергии, связанное со спонтанной окислительно-восстановительной реакцией, в электрическую энергию. Хотя процесс преобразования энергии звучит технически, на практике идея довольно проста: мы просто разделяем «дающего» и «принимающего» электронов в пространстве, так что электроны должны течь, чтобы осуществить окислительно-восстановительную реакцию.Подумайте об энергии, генерируемой бейсбольным мячом, идущим от руки питчера к перчатке кэтчера на расстоянии девяноста футов. Разделение бросающего и улавливающего позволяет нам использовать энергию мяча во время его полета к своей тарелке. Точно так же, разделив процессы окисления и восстановления в космосе и соединив их проводящим проводом, мы можем использовать энергию, связанную с током, протекающим через провод, когда происходят реакции. Устройство, в котором для выработки электрического тока используется спонтанная окислительно-восстановительная реакция, называется гальваническим элементом .

Любой практический гальванический элемент содержит два компонента: «восстанавливающую» систему, которая высвобождает электроны, и «окислительную» систему, которая поглощает электроны. Однако, ограничиваясь теоретическими ситуациями, мы можем представить себе половину гальванического элемента как устройство, которое либо выпускает электроны в забвение, либо забирает их из забвения. Полуреакция , связанная с такой полуячейкой , включает электроны в свое химическое уравнение: мы указываем высвобождение электронов, записывая их на стороне продуктов, и поглощение электронов, записывая их на стороне реагентов.-} \ rightarrow \ mathrm {Cu} (s) $$

Как написано, это уравнение представляет собой «окислительную» систему, которая забирает электроны из проволоки. Аппарат для этого электрода выглядит довольно утомительно. Кусок металлической меди, прикрепленный к проводящему проводу (который также может быть сделан из меди, но не обязательно), погружают в раствор ионов меди (II) и невинного противоаниона.

Концентрация ионов меди (II) в растворе связана с напряжением на ячейках, содержащих полуячейку Cu | Cu ²⁺ , как мы скоро увидим.Так же, как изменения свободной энергии зависят от концентраций (напомним, \ (\ Delta G = -RT \ ln K \)), напряжения элементов также зависят от концентраций. Концентрации 1,0 моль / л являются стандартом в электрохимии, поэтому мы можем представить наш стандартный медный электрод в обозначении ячейки как «Cu | Cu ²⁺ (1 M)». Вертикальная черта указывает фазовую границу между твердой металлической медью и водными ионами меди (II). Думайте об этой нотации как о текстовой форме описанного выше аппарата.

Конечно, эта установка не будет самопроизвольно всасывать электроны из воздуха.Чтобы фактически сделать его частью практического элемента, мы должны подключить его к источнику электронов — восстанавливающему электроду с достаточной энергией, чтобы поставлять электроны для восстановления меди (II). {2 +}} (aq) $$

Практические проблемы: солевые мостики и электролиты

Итак, мы можем подключить медный электрод к цинковому и ожидать, что произойдет какое-то волшебство…

Объединение двух полуэлементов: будут ли электроны перетекать со стороны цинка на сторону меди?

У нас есть металл-восстановитель (Zn), связанный с супом окисляющих катионов (Cu ²⁺ ). Разве электроны не должны самопроизвольно перемещаться из одной стороны в другую? Вначале будут, но процесс очень быстро остановится. Почему? Наша нынешняя установка представляет собой разомкнутую цепь: когда электроны движутся слева направо, положительный заряд будет накапливаться слева, а отрицательный — справа.Энергия, необходимая для поддержания такого разделения зарядов, намного больше, чем энергия, которую может дать любая окислительно-восстановительная реакция. После минимального разделения зарядов электроны самопроизвольно потекут в другую сторону, чтобы каждый электрод оставался нейтральным. Ток не может течь в разомкнутой цепи!

Нам нужен механизм, возвращающий противоположные заряды в каждый стакан, когда электроны текут слева направо по проводу. Если бы катионы и анионы в растворе могли каким-то образом прыгать между стаканами, мы могли бы гарантировать, что даже когда электроны протекают через провод, общие заряды на обоих электродах остаются близкими к нулю.Канал, называемый соляным мостиком , делает свое дело: ионы могут проходить через солевой мостик, чтобы уравновесить заряд, передаваемый при движении электронов по проводу. На практике солевой мостик может быть таким же простым, как кусок смоченной фильтровальной бумаги между двумя стаканами. Более сложные солевые мостики представляют собой U-образные трубки с пористыми пробками на обоих концах, которые позволяют ионам перемещаться между стаканами. Невинные ионы (щелочные металлы и анионы, которые универсально растворимы в воде, такие как галогениды или нитраты) добавляются к растворам в каждом химическом стакане для увеличения проводимости растворов; эти проводящие растворы называются электролитами .

Когда солевой мостик установлен, чистый заряд в каждом стакане остается очень близким к нулю при протекании тока.

Это устройство имеет все ключевые элементы гальванического элемента: восстанавливающий электрод, который высвобождает электроны, окислительный электрод, который захватывает их, и солевой мостик, чтобы гарантировать, что каждый электрод поддерживает нулевой общий заряд. Восстановительный электрод (Zn | Zn ²⁺ в нашем примере) называется анодом , а окисляющий электрод (Cu ²⁺ | Cu) называется катодом .Один хороший способ запомнить это — отметить, что в солевом мостике ионы cat текут в направлении катода , ode и ионы текут в направлении an ode. Поместив электрическое устройство (например, лампочку) вдоль провода, мы можем использовать падение напряжения, связанное с окислительно-восстановительной реакцией, для питания устройства.

В работающем гальваническом элементе катионы текут к катоду, а анионы — к аноду.

Теперь, когда мы увидели, как устроен типичный гальванический элемент, давайте исследуем, как определить напряжение на элементе.\ circ \)) — напряжение на ячейке. Отрицательный знак гарантирует, что отрицательная свободная энергия соответствует положительному напряжению — электрики связывают батареи и другие источники электрической энергии с положительным напряжением. В некотором смысле, приведенное выше уравнение просто отражает определение Вольт как 1 Джоуль на кулон: умноженные на вольт кулоны равняются джоулям. Маленькие кружки рядом с \ (G \) и \ (E \) показывают, что это соотношение относится к стандартным условиям: концентрация всех ионов в растворе 1 моль / л, давление любых газов 1 бар и 25 ° C.

Как и энергия, напряжение наиболее полезно в качестве относительной (а не абсолютной) величины. То, что мы определяем как «ноль» напряжения, не так важно; относительные различия в напряжении («падения» напряжения или разность потенциалов) — вот что мы используем для выполнения электрических работ. Тем не менее, мы должны договориться об общей нулевой точке, чтобы напряжения, измеренные разными людьми, были сопоставимы, а нулевой уровень напряжения для гальванических элементов определяется как напряжение на стандартном водородном электроде (SHE).

Определение SHE как эталона нулевого напряжения предполагает стандартный эксперимент по измерению напряжения других полуэлементов. Подключаем интересующую полуячейку к ШЭ и измеряем генерируемое при этом напряжение. У полуэлемента может быть достаточно окислительной способности, чтобы вытягивать электроны из газообразного водорода, образуя протоны в SHE. В этом случае напряжение, соответствующее полуячейке, положительное (условно). Электроны будут самопроизвольно течь от SHE к заказной полуячейке (что произойдет с pH раствора в SHE?).

Если полуэлемент не может окислять водород в SHE, то он должен восстанавливать протоны в SHE (если только полуэлемент сам по себе не является SHE, и в этом случае он ничего не сделает!). Восстановление — это обратная реакция окисления, поэтому, если полуячейка не может окислять водород в SHE, то он должен самопроизвольно окисляться протонами в SHE. В этом случае напряжение на полуячейке будет отрицательным, и электроны будут течь в обратном направлении, от полуячейки к SHE.

Стандартный эксперимент по измерению напряжения был проведен на всех типах полуэлементов (и список продолжает расти по сей день). В таблицах стандартных восстановительных потенциалов перечислены напряжения, связанные с полуэлементами. Обратите внимание, что для истинного понимания того, что означают напряжения, необходимо понимать схему стандартного эксперимента (и признать SHE стандартным электродом). Учтите, что использование невероятно электроположительного электрода Li | Li ⁺ в качестве эталона нулевого напряжения сделало бы напряжение почти любого другого электрода положительным — металлический литий почти всегда будет служить анодом и выделять электроны.Согласно соглашению, положительные напряжения соответствуют самопроизвольному восстановлению полуэлемента SHE (поэтому они называются потенциалами восстановления ), а отрицательные напряжения соответствуют самопроизвольному окислению SHE.

Напряжение в ячейках произвольной формы при стандартных условиях

Ни в одной практичной батарее не используется стандартный водородный электрод по двум причинам: (1) с газообразным водородом сложно работать и (2) в SHE используется безумно дорогой платиновый электрод.Вместо этого в практичных батареях используются металлы, соли металлов и другие твердые или жидкие вещества, с которыми проще обращаться и которые дешевле. Нас часто интересует расчет ожидаемого напряжения на батарее этого типа. Прежде чем тратить деньги на создание двух полуэлементов и их соединение друг с другом, мы хотели бы быть достаточно уверены, что полученная батарея будет обеспечивать достаточное напряжение для питания наших устройств! Этот расчет представляет большой интерес для таких компаний, как Energizer и Duracell!

Стандартный эксперимент по измерению напряжения показывает нам напряжение полуэлемента относительно SHE, но как мы можем определить напряжение на двух произвольных полуэлементах? Основная идея состоит в том, чтобы использовать тот факт, что свободная энергия Гиббса \ (G \) является функцией состояния.Поскольку \ (\ Delta G \) и \ (E \) связаны линейно в соответствии с уравнением (5), напряжение ячейки \ (E \) также является функцией состояния: его значение зависит только от идентичности и концентраций реагентов. и продукты окислительно-восстановительной реакции, питающей аккумулятор. Путь, по которому мы превращаем реагенты в продукты, не важен; \ (E \) будет тем же самым, независимо от того, как мы разделим процесс, ведущий от реагентов к продуктам.

Рассмотрим комбинацию медных и цинковых электродов, с которыми мы работали до сих пор.{2 +}} (водн.)

$

Стандартные потенциалы восстановления меди и цинка кажутся важными для этой реакции, но как так? Представьте, что мы вводим в процесс водород и протоны следующим образом. Сначала газообразный водород используется для восстановления меди (II) до меди с двумя протонами в качестве побочного продукта. Эти же два протона затем используются для окисления металлического цинка до цинка (II), регенерируя газообразный водород. \ circ \ ll 0 \)).Это выпадает из математики, когда мы используем уравнение (7), но это также согласуется с нашими интуитивными представлениями о свободной энергии. Когда они соединены вместе, электроны с большой силой будут течь от окисленной стороны (помните, она теряет электроны) к восстановленной стороне. Точно так же сильная кислота бурно реагирует с сильным основанием, сильный окислитель сильно оттягивает электроны от сильного восстановителя. Как окислительно-восстановительные, так и кислотно-основные реакции протекают интенсивно, потому что реагенты имеют гораздо более высокую свободную энергию Гиббса, чем продукты.В первом случае мы используем высвободившуюся свободную энергию для выполнения электрических работ в цепи. В последнем случае энергия кислотно-щелочной реакции может выделяться в виде тепла, использоваться для фазового перехода или даже преобразовываться в электрическую работу!

Стандартные потенциалы восстановления основаны не только на SHE, но также на стандартных концентрациях, давлениях и температурах всех реагентов. Любые расчеты, в которых используются только стандартные потенциалы восстановления, такие как «закон Бурделла», неявно предполагают, что все компоненты в ячейке находятся в стандартных условиях.Конечно, как только мы действительно подключаем ячейку к нагрузке, ее условия начинают меняться! Как рассчитать напряжение на элементе, когда его компоненты находятся в нестандартных условиях?

Напряжение в нестандартных условиях

Прежде чем раскрывать количественные подробности того, как рассчитать нестандартное напряжение, давайте подумаем о проблеме концептуально в контексте кислотно-щелочной химии. Рассмотрим кислотно-щелочную реакцию между гидроксидом и уксусной кислотой (связь с электрохимией станет ясной, поверьте мне).-O_2CCH_3} $$

Если мы хотим выжать из реакции (9) как можно больше энергии, с каких концентраций реагентов и продуктов нам следует начать? Реакция идет самопроизвольно в прямом направлении, поэтому ясно, что мы должны начинать только с реагентов — любые присутствующие продукты ограничивают степень реакции на основе принципа Ле Шателье. Мы получаем максимальную отдачу, когда начинаем с гидроксида и уксусной кислоты. (Именно так работает большинство химических реакций — продукт — это то, что хочет , а не то, что у есть .)

Та же самая идея применима к окислительно-восстановительным реакциям: мы получаем наибольшее количество электроэнергии от реакции в гальванической ячейке, когда мы начинаем только с тех веществ, которые реагируют спонтанно. Однако стандартные условия требуют, чтобы все виды присутствовали в концентрации 1,0 М, что фактически запрещает нам начинать только с реагентов. Например, в нашем цинк-медном элементе цинк (II) и медь (II) должны оба присутствовать в ячейке в концентрации 1,0 М, чтобы применялась метка «стандартные условия»…но медь (II) — это реагент, а цинк (II) — это продукт! Ой! Урок здесь в том, что стандартное напряжение не обязательно является оптимальным.

По аналогии с кислотно-щелочной реакцией, увеличение концентраций веществ, которые реагируют спонтанно (и / или уменьшение концентраций продуктов), должно увеличивать наблюдаемое напряжение. В соответствии с реакцией (6) увеличение [Cu ²⁺ ] и уменьшение [Zn ²⁺ ] должно увеличивать напряжение ячейки.{2 +}] _ {eq}}} $$

Концентрации в (10) отражают состояние неограниченного равновесия, когда мы позволяем ячейке «работать» в течение бесконечного количества времени (другими словами, состояние, когда батарея полностью разряжена). Мы также можем записать коэффициент реакции в той же форме, что и \ (K \), который обобщается на любое ограниченное состояние равновесия ячейки. В состоянии ограниченного равновесия соответствующее напряжение «толкает» состояние, чтобы гарантировать, что оно остается однородным и постоянным во времени.\ circ = 1 \) обязательно. Стандартное состояние связано с некоторым напряжением и соответствующим изменением свободной энергии согласно уравнению (5). В последующем обсуждении мы будем предполагать, что реакция является спонтанной в прямом направлении в стандартном состоянии. Это означает, что \ (Q \) будет самопроизвольно увеличиваться в сторону \ (K \), если ячейку закоротить и оставить для разряда. В этом случае уменьшение \ (Q \) требует ввода энергии. Мы настроили все таким образом, потому что все гальванические элементы настроены таким образом, со спонтанной прямой реакцией.

Теперь представьте, что требуется некоторое количество свободной энергии \ (\ Delta G \), чтобы «подтолкнуть» ячейку из стандартного состояния в нестандартное состояние с меньшим коэффициентом реакции \ (Q_ \ mathrm {ns} \) и большее напряжение \ (E_ \ mathrm {ns} \). Эта энергия — всего лишь энергия зарядки, необходимая для перемещения [Zn ²⁺ ] и [Cu ²⁺ ] от 1,0 M до их значений в интересующем состоянии. Чтобы вычислить энергию заряда, мы можем признать, что «толчок» на самом деле является спонтанной окислительно-восстановительной реакцией, происходящей в ячейке в в обратном направлении , из стандартного состояния в нестандартное состояние при наличии большего количества реагентов.\ circ \) на большего размера \ (Q_ \ mathrm {ns} \), за исключением того, что толкать не нужно. Вместо этого энергия будет высвобождаться при переходе от стандартных условий к нестандартным, потому что этот сдвиг теперь представляет собой (спонтанное) образование продуктов.

Почему полезен расчет этой «энергии зарядки» \ (\ Delta G \)? Мы можем использовать стандартное напряжение, рассчитанное по формуле (7), чтобы получить 90% пути к нестандартному напряжению, а затем использовать энергию заряда для завершения работы.\ circ $$

Это говорит нам о том, что при стандартных условиях напряжение элемента является стандартным напряжением — как и должно быть! Также обратите внимание, что по мере уменьшения \ (Q \) напряжение ячейки имеет тенденцию к увеличению. Другими словами, подача большего количества реагентов и / или меньшего количества продуктов приводит к увеличению напряжения ячейки. Естественно, что при увеличении \ (Q \) за счет введения продуктов или удаления реагентов напряжение ячейки падает. Вот как работает батарея при нормальной работе: ее окислительно-восстановительная реакция протекает в прямом направлении, образуя продукты и потребляя реагенты, пока напряжение не станет настолько низким, что она не сможет питать что-либо полезное.

No related posts.