Билет 7.
Вопрос 1. Гальванические элементы. Способы соединения.
Ответ. Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани. Переход химической энергии в электрическуюэнергию происходит в гальванических элементах.
История изучения гальванических процессов
Явление возникновения электрического тока при контакте разных металлов было открыто итальянским физиологом, профессором медицины Болонского университета (г. Болонья, Италия) — Луиджи Гальвани в 1786 году: Гальвани описал процесс сокращения мышц задних лапок свежепрепарированной лягушки, закреплённых на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля. Наблюдения были истолкованы первооткрывателем как проявление «животного электричества».
Итальянский физик и химик Алессандро Вольта, заинтересовавшись опытами Гальвани, увидел совершенно новое явление — создание потока электрических зарядов. Проверяя точку зрения Гальвани, А. Вольта проделал серию опытов и пришёл к выводу, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие цепи из разных проводников в жидкости. В подтверждение — А. Вольта заменил лапку лягушки изобретённым им электрометром и повторил все действия. В 1800 году А. Вольта впервые публично заявляет о своих открытиях на заседании Лондонского королевского общества, что проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов… Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления. Русский учёный Петров в 1802 году использовал гальванический элемент для построения электрической дуги.
Виды электродов
В состав гальванического элемента входят электроды. Электроды бывают:
Обратимые электроды
Электроды 1-го рода — электроды, состоящие из металла, погружённого в раствор его соли;
Электроды 2-го рода — электрод, состоящий из металла, покрытого труднорастворимой солью этого же металла, погружённый в раствор соли, который содержит общий анион с нерастворимой солью (хлорсеребряный электрод, каломельный электрод, металл-оксидные электроды);
Электроды 3-го рода — электроды, состоящие из двух нерастворимых осадков электролитов: в менее растворимом есть катион, который образуется из металла электрода, а в более растворимом — есть общий анион с первым осадком;
Газовые электроды — электроды, состоящие из неактивного металла в растворе и газа (кислородный электрод, водородный электрод);
Амальгамные электроды — электроды, состоящие из раствора металла в ртути;
Окислительно-восстановительные электроды — электроды, состоящие из неактивного металла (ферри-ферро-электрод, хингидронный электрод).
Ионоселективные мембранные электроды
Электроды с ионообменной мембраной с фиксированными зарядами — стеклянный электрод;
Электроды, состоящие из жидких ассоциированных ионитов;
Электроды с мембраной на основе мембраноактивных комплексонов;
Электроды с моно- и поликристаллической мембранами.
Характеристики гальванических элементов
Гальванические элементы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), ёмкостью; энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь; сохраняемостью.
Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. ЭДС описывается термодинамическими функциями протекающих электрохимических процессов в виде уравнения Нернста.
Электрическая ёмкость элемента — это количество электричества, которое источник тока отдаёт при разряде. Ёмкость зависит от массы реагентов, запасённых в источнике, и степени их превращения; снижается с понижением температуры или увеличением разрядного тока.
Энергия гальванического элемента численно равна произведению его ёмкости на напряжение. С увеличением количества вещества реагентов в элементе и до определённого предела, с увеличением температуры, энергия возрастает. Энергию уменьшает увеличение разрядного тока.
Сохраняемость — это срок хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных пределах. Сохраняемость элемента уменьшается с ростом температуры хранения.
Классификация гальванических элементов
Гальванические первичные элементы — это устройства для прямого преобразования химической энергии, заключенных в них реагентов (окислителя и восстановителя), в электрическую. Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, и действие прекращается после расхода реагентов. Примером гальванического элемента является элемент Даниэля—Якоби.
Широкое распространение получили марганцево-цинковые элементы, не содержащие раствора электролита (сухие элементы, батарейки). Так, в солевых элементах Лекланше: цинковый электрод служит катодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит анодом, графит служит токоотводом. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмалав качестве загустителя.
Щелочные марганцево-цинковые элементы, в которых в качестве электролита используется паста на основе гидроксида калия, обладают целым рядом преимуществ (в частности, существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки).
Солевые и щелочные элементы широко применяются для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.
Вторичные источники тока (аккумуляторы) — это устройства, в которых электрическая энергиявнешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а химическая — снова превращается в электрическую.
Одним из наиболее распространённых аккумуляторов является свинцовый (или кислотный). Электролитом является 25—30 % раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решётки, заполненные оксидом свинца, который при взаимодействии с электролитом превращается в сульфат свинца (II) — PbSO4.
Также существуют щёлочные аккумуляторы: наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы, в которых электролитом служит гидроксид калия (K-OH).
В различных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой ёмкостью и отсутствием эффекта памяти.
Электрохимические генераторы (топливные элементы) — это элементы, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую. Окислитель и восстановитель хранятся вне элемента, в процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам. В процессе работы топливного элемента, электроды не расходуются. Восстановителем является водород (H2), метанол (CH3OH), метан (CH4); в жидком или газообразном состоянии. Окислителем обычно является кислород — из воздуха или чистый. В кислородно-водородном топливном элементе со щёлочным электролитом, происходит превращение химической энергии в электрическую. Энергоустановки применяются на космических кораблях: они обеспечивают энергиейкосмический корабль и космонавтов.
Применение
Батарейки используются в системе сигнализации, фонарях, часах, калькуляторах, аудиосистемах, игрушках, радио, автооборудовании, пультах дистанционного управления.
Аккумуляторы используются для запуска двигателей машин; возможно так же и применение в качестве временных источников электроэнергии в местах, удалённых от населенных пунктов.
Топливные элементы применяются в производстве электрической энергии (на электрических станциях), аварийных источниках энергии, автономном электроснабжении, транспорте, бортовом питании, мобильных устройствах.
На в практике почти всегда оказывается, что электродвижущая сила одного элемента слишком мала для того, чтобы ее можно было употребить с пользой для дела. Поэтому элементы обычно соединяются в батареи. В зависимости от способа соединения элементов мы будем иметь батарею с повышенным напряжением или с повышенной емкостью. Существует три способа соединения батарей: последовательное, параллельное и смешанное.
Последовательным соединением называется такое соединение, при котором минус первого элемента соединен с плюсом второго элемента, а минус второго элемента соединен с плюсом третьего элемента и так далее. В результате такого соединения всегда остается свободным плюс первого элемента и минус последнего элемента.
Последовательное соединение элементов применяется для того, чтобы увеличить электродвижущую силу, напряжение батареи. При последовательном соединении электродвижущая сила или напряжение батареи всегда будут равны сумме напряжений всех элементов, входящих в состав батареи.
Параллельным соединением называется такое соединение, при котором отрицательные полюсы всех элементов, входящих в состав батареи, соединяются вместе и так же вместе соединяются все положительные полюсы элементов. При таком соединении, наоборот, электродвижущая сила, напряжение батареи будет равно электродвижущей силе одного элемента, но зато емкость батареи будет равна сумме емкостей всех входящих в нее элементов, что дает возможность снимать с батареи большую силу тока. Здесь получается так, как будто мы сделали один элемент очень больших размеров.
Смешанным соединением называется такое соединение, при котором отдельные батареи, при параллельном соединении в них элементов, соединяются последовательно между собой или, наоборот, последовательно соединенные батареи соединяются в группу параллельным соединением. При таком соединении элементов батарея будет иметь повышенные напряжение и емкость. Помните всегда, что не следует соединять параллельно неодинаковые по емкости элементы. При последовательном соединении элементов еще можно допустить такое положение, когда в батарею будут соединены элементы с различным напряжением. Важно при этом, чтобы элементы эти обладали приблизительно равной емкостью. При соединении же элементов с различной емкостью, особенно при параллельном их соединении, элемент с меньшей емкостью израсходуется значительно быстрее других, присутствие его в батарее создаст повышенное ее внутреннее сопротивление и тем самым только ухудшит работу такой батареи.
Способы соединения элементов показаны на рис.: а — последовательное, б — параллельное и в — смешанное соединение.