Свързване на галванични клетки. Галванични клетки и батерии

Днес галваничните клетки са едни от най-разпространените химически клетки.Въпреки недостатъците си, те се използват активно в електротехниката и непрекъснато се подобряват.

Принцип на работа

Най-простият пример за това как работи галваничният елемент изглежда така. В стъклен съд с воден разтвор на сярна киселина се потапят две плочи: едната е медна, другата е цинкова. Те стават положителните и отрицателните полюси на елемента. Ако тези полюси са свързани с проводник, получавате най-простото нещо.Вътре в елемента токът ще тече от цинковата пластина, която има отрицателен заряд, към медната пластина, която е положително заредена. Във външната верига движението на заредени частици ще се случи в обратна посока.

Под въздействието на тока водородните йони и киселинният остатък на сярната киселина ще се движат в различни посоки. Водородът ще предаде своите заряди на медната плоча, а киселинният остатък ще отдаде своите заряди на цинковата плоча. Това ще поддържа напрежението на клемите на елемента. В същото време на повърхността на медната плоча ще се утаят водородни мехурчета, което ще отслаби действието на галваничния елемент. Водородът създава допълнително напрежение заедно с метала на плочата, което се нарича електродвижеща сила на поляризация. Посоката на заряд на тази ЕМП е противоположна на посоката на заряд на ЕМП на галваничния елемент. Самите мехурчета създават допълнително съпротивление в елемента.

Елементът, който разгледахме, е класически пример. В действителност такива галванични елементи просто не се използват поради висока поляризация. За да се предотврати това, по време на производството на елементи в техния състав се въвежда специално вещество, което абсорбира водородни атоми, което се нарича деполяризатор. По правило това са препарати, съдържащи кислород или хлор.

Предимства и недостатъци на съвременните галванични елементи

Съвременните галванични клетки са направени от различни материали. Най-често срещаният и познат тип са въглеродно-цинковите елементи, използвани в АА батерии. Предимствата им включват относителна евтиност, а недостатъците включват кратък срок на годност и ниска мощност.

| Повече ▼ удобен вариант- Това са алкални галванични елементи. Наричат ​​се още манганово-цинкови. Тук електролитът не е сухо вещество като въглища, а алкален разтвор. При изпускане такива елементи практически не отделят газ, така че могат да бъдат направени херметически затворени. Срокът на годност на такива елементи е по-висок от този на въглеродно-цинковите елементи.

Елементите на живак са подобни по дизайн на алкалните елементи. Тук се използва живачен оксид. Такива източници на ток се използват например за медицинско оборудване. Техните предимства са устойчивост на високи температури(до +50, а при някои модели до +70 ˚С), стабилно напрежение, висока механична якост. Недостатък са токсичните свойства на живака, поради които отработените елементи трябва да се третират много внимателно и да се изпращат за рециклиране.

В някои клетки сребърният оксид се използва за направата на катоди, но поради високата цена на метала използването им не е икономически изгодно. Клетките с литиеви аноди са по-често срещани. Те също са с висока цена, но имат най-високото напрежение сред всички разглеждани видове галванични елементи.

Друг вид галванични клетки са концентрационните галванични клетки. При тях процесът на движение на частиците може да протича със или без пренос на йони. Първият тип е елемент, в който два еднакви електрода са потопени в различни концентрации, разделени от полупропусклива преграда. В такива елементи ЕМП възниква поради факта, че йоните се прехвърлят в разтвор с по-ниска концентрация. В елементите от втория тип електродите са изработени от различни метали и концентрацията се изравнява поради химични процеси, които протичат на всеки от електродите. тези елементи са по-високи от тези от първия тип.

Ако липсва електрическа мрежа, след това за захранване на електрически уреди се използват галванични клетки и батерии, иначе наричани химически източници на ток. Нека разгледаме принципа на тяхното действие, като използваме примера на първия най-прост елемент - елемента на Волта (фиг. 1). Състои се от медни (Cu) и цинкови (Zn) плочи, потопени в разтвор на сярна киселина (H2SO4). Поради химическата реакция, която протича между цинка и сярната киселина, върху цинка се произвеждат излишни електрони. Цинкът е отрицателно зареден и е отрицателният полюс. Разтворът и потопената в него медна пластина се зареждат положително. В резултат на това се възбужда едс, равна на приблизително един волт, която продължава, докато веригата не е затворена.
Ако затворите веригата, ще тече ток и водородът ще започне интензивно да се отделя вътре в елемента, покривайки повърхността на плочите със слой от мехурчета. Този слой намалява напрежението на полюсите на елемента. Това явление се нарича поляризация. Колкото по-голям е токът, толкова по-силна е поляризацията и толкова по-бързо намалява напрежението на елемента.

Фиг. 1. Най-простият галваничен елемент Волта.
За да се премахне поляризацията, в елемента се въвеждат вещества, способни да абсорбират водород и наречени деполяризатори. За да остане постоянно напрежението на полюсите, деполяризаторът трябва бързо да абсорбира водорода, генериран по време на работа на елемента. Поглъщайки водород, деполяризаторът постепенно става неизползваем. Но обикновено преди това електролитът се влошава и цинкът се разяжда от действието на електролита. Като цяло електрическата енергия се получава в клетката поради консумацията на цинк, електролит и деполяризатор; следователно всеки елемент има определен запас от енергия и може да работи само за ограничено време.
Работата на галваничните клетки се обяснява с помощта на теорията за електролитната дисоциация, според която молекулите на веществото, разтворено във вода, се разпадат (дисоциират) на йони. Това явление е характерно за всички електролити, които са разтвори на киселини, основи и соли. В клетката на Волта молекула на сярна киселина (H2SO4) във воден разтвор се разпада на отрицателен киселинен йон (SO4) и положителен водороден йон (H2), както е показано на фиг. 2.
Химическа реакциямежду цинка и сярната киселина е, че положителните цинкови йони отиват в разтвор, като са привлечени от отрицателните йони на електролита. В този случай самият цинков електрод се зарежда отрицателно. Между него и електролита възниква потенциална разлика и следователно електрическо поле, което предотвратява по-нататъшния преход на положителни цинкови йони в разтвора. Следователно се създава определено равновесие с определена потенциална разлика между цинка и разтвора. За други метали и разтвори стойността на потенциалната разлика ще бъде различна.
За да се използва получената потенциална разлика, в електролита се поставя втори електрод, изработен от различен метал. Ако вторият електрод е цинков, тогава между него и разтворите ще има същата потенциална разлика като тази на първия електрод, но той ще действа противоположно и получената потенциална разлика между електродите ще бъде нула. Клетките обикновено имат отрицателен електрод от цинк и положителен електрод от мед или въглерод.
Ако свържете електродите на елемент с проводник, т.е. създадете затворена верига, тогава под въздействието на потенциална разлика електроните ще се движат от цинка по външната верига. Тъй като те напускат цинковия електрод, неговият отрицателен потенциал започва да намалява и електрическото поле между него и разтвора отслабва. Но след това нови положителни цинкови йони преминават в разтвор. Това поддържа известен отрицателен потенциал на цинковия електрод.

Фиг.2. Йони в електролита на клетката Волта.
Когато клетката работи, цинкът непрекъснато се разтваря в електролита, който постепенно се превръща в разтвор на цинков сулфат (ZnSO4). Положителните цинкови йони, постоянно преминаващи в електролита, привличат отрицателни йоникиселинен остатък. Тези йони в електролита се движат в посока от медната плоча към цинковата плоча. Но положителните водородни йони се отблъскват от положителните цинкови йони и се движат в обратна посока, тоест от цинк към мед. Така, ако във външна верига токът представлява движението на електрони (както винаги в металните проводници), то в електролита токът представлява движението на положителни и отрицателни йони в противоположни посоки. Водородните йони се приближават до медната плоча и вземат електрони от нея, превръщайки се в неутрални атоми. В резултат на това върху медната плоча се поддържа известен положителен потенциал, въпреки факта, че към нея пристигат електрони от външната верига. Медната плоча обаче постепенно се покрива със слой водород. Между този слой и електролита възниква потенциална разлика, действаща към основната потенциална разлика, съществуваща между електродите. Възникването на такава противоелектродвижеща сила се нарича поляризация на елемента. Поради поляризацията, получената потенциална разлика намалява и ефектът на елемента се влошава.
Галваничните клетки се характеризират с различни параметри и преди всичко електродвижеща сила, вътрешно съпротивление, максимално допустим ток на разреждане и капацитет.
Електродвижещата сила се определя от вида на елемента, тоест от материала на неговите електроди, веществото на електролита и деполяризатора. Той е напълно независим от размера на елемента (размера на неговите електроди), количеството електролит и количеството деполяризатор.
Вътрешното съпротивление на един елемент зависи не само от неговия вид, но и от неговия размер, както и от това колко време елементът е бил в експлоатация. Колкото по-голям е елементът, толкова по-малко е вътрешното му съпротивление. Когато елементът работи, вътрешното съпротивление се увеличава. Особено рязко се увеличава в обеднените елементи. Вътрешното съпротивление на елементите в началото на тяхната работа обикновено варира от няколко ома до десети от ома. Когато даден елемент е свързан към затворена верига, напрежението на неговите клеми винаги е малко по-малко от ЕМП и намалява с увеличаване на тока, тъй като загубата на част от ЕМП при вътрешното съпротивление на елемента се увеличава. Понякога напрежението за елементите се посочва при максималния ток на разреждане в началото на работата на елемента (първоначално напрежение).
Всеки елемент може да се разрежда с ток до определена стойност. Прекалено високият ток ще предизвика ускорена поляризация и напрежението бързо ще стане неприемливо ниско. Подобно явление, но в още по-голяма степен, се получава при късо съединение на елемента. За повечето елементи максималният допустим ток на разреждане е част от ампера. Колкото по-голям е елементът, толкова по-голям е този ток. Прекомерният ток също води до бързо изчерпване на елемента.
Капацитетът на елемента е количеството електричество, което той може да достави, когато е разреден с ток, който не надвишава максимално допустимия. Обикновено капацитетът на клетките се измерва в амперчасове (ah), т.е. произведението на тока на разреждане в ампери и броя на работните часове на клетката. Един елемент се счита за разреден, ако напрежението му е намаляло с приблизително 50% в сравнение с първоначалната му стойност.
Работното време на една клетка може да се определи, като капацитетът в амперчасове се раздели на разрядния ток в ампери. В този случай токът не трябва да надвишава максимално допустимата стойност.
Капацитетът на клетката зависи от количеството цинк, електролит и деполяризатор. Колкото по-големи са размерите на елемента, толкова повече количествона веществата, влизащи в състава му и толкова по-голям капацитет. Освен това капацитетът зависи от разрядния ток, както и от прекъсванията по време на разреждането и тяхната продължителност. Нормалният капацитет на елемента съответства на максимално допустимия ток на разреждане при непрекъснато разреждане. Ако токът е по-малък от максимума и ако разрядът настъпва периодично, тогава капацитетът се увеличава, а ако токът надвишава максимума, капацитетът намалява, тъй като част от деполяризатора не участва в реакциите. Капацитетът също намалява с намаляване на температурата. Следователно изчисляването на времето за работа на елемент въз основа на неговия номинален капацитет и ток на разреждане е приблизително.
2. МАНГАН – ЦИНК
И ОКСИДНО-ЖИВАЧНИ ЕЛЕМЕНТИ.
Манган-цинкови (MC) сухи елементи с деполяризатор от манганов диоксид са широко разпространени.
Суха клетка тип чаша (фиг. 3) има правоъгълен или цилиндричен цинков съд, който е отрицателен електрод. Вътре в него е поставен положителен електрод под формата на въглен.
пръчки или плочи, които се намират в торба, пълна със смес от манганов диоксид с въглища или графитен прах. Добавят се въглерод или графит, за да се намали устойчивостта. Въглеродната пръчка и торбата с деполяризиращата маса се наричат ​​агломерат. Като електролит се използва паста, съставена от амоняк (NH4Cl), нишесте и някои други вещества. За чашковите елементи централната клема е положителният полюс.
Работното напрежение на суха клетка е малко по-ниско от нейната ЕДС, равно на 1,5 V, и е приблизително 1,3 или 1,4 V. При продължително разреждане напрежението постепенно намалява, тъй като деполяризаторът няма време да абсорбира целия отделен водород, и до крайната скорост на разреждане достига 0,7 V.

Фиг.3. Устройство със сух елемент.
Друг дизайн на сух елемент, така нареченият тип бисквити, е показан на фиг. 4. При него положителният електрод е деполяризираща маса (няма въглероден електрод). Бисквитените елементи имат значително по-добри характеристики от чашните.

Ориз. 4. Изграждане на елемент от суха бисквита.
1 – деполяризатор – положителен електрод; 2 – цинк – отрицателен електрод; 3 – хартия;
4 – картон, импрегниран с електролит; 5 – филм от поливинилхлорид.
Във всеки елемент, който има електролит, дори когато външната верига е отворена, възниква т. нар. саморазряд, в резултат на което цинковият електрод е корозирал, а електролитът и деполяризаторът са изчерпани. Следователно, по време на съхранение сухата клетка постепенно става неизползваема и нейният електролит изсъхва.
Когато сухите елементи са напълно изпразнени, техните агломерати са все още работещи и могат да се използват за конструиране на домашни самозапълващи се елементи. Такива елементи имат агломерат и електрод, изработен от цинков лист в разтвор на амоняк, разположен в стъклена или керамична или пластмасова чаша. При липса на амоняк можете да използвате няколко по-лоши резултатиНанесете разтвор на обикновена готварска сол с малко добавяне на захар. В допълнение към сухите елементи от типа MC, широко се използват елементи с манганово-въздушна деполяризация (MAD). Те са проектирани подобно на MC елементите, но положителният им електрод е направен така, че външният атмосферен въздух. Кислородът на въздуха компенсира загубата на кислород от манганов диоксид по време на деполяризация. Следователно деполяризацията може да настъпи много по-дълго и капацитетът на клетката се увеличава.
Физико-химичните процеси в елементите с манганов диоксид протичат както следва. Амонякът, тоест амониевият хлорид (NH4Cl), във воден разтвор образува положителни амониеви йони (NH4) и отрицателни хлорни йони (Cl). Положителните цинкови йони преминават в разтвор и цинкът придобива отрицателен потенциал. Когато веригата е затворена, когато електроните във външната верига се движат в посока от цинк към въглища, цинкът се разтваря през цялото време. Неговите йони преминават в електролита, поради което се поддържа отрицателният потенциал на цинка. Цинковите йони се комбинират с хлорните йони, за да образуват разтвор на цинков хлорид (ZnCl2). В същото време NH4 йони се придвижват към въглеродния електрод, вземат електрони от него и се разпадат на амоняк (NH3) и водород. Това се случва според уравнението
2NH4 = 2NH3 + H2.
Освободеният водород се свързва с деполяризатор, т.е. манганов диоксид, образувайки манганов оксид и вода:
H2 + MnO2 = MnO2 + H2O.
IN последните годиниПроизвеждат се и сухи запечатани MC клетки с алкален електролит (KOH). Те са цилиндрични, дискови и бисквитени, капацитетът им е три до пет пъти по-голям от този на клетките с амонячен електролит. Освен това те позволяват няколко цикъла на презареждане с ток с връщане на 10% от капацитета. За такива елементи централният електрод е цинк и е минус, т.е. полярността на клемите е противоположна на полярността на клемите на конвенционалните MC елементи. Елементи с алкален електролит се използват за продължителна работа, например в електронни часовници. В обозначенията на такива елементи буквата А се поставя отпред.
Всички клетки имат първоначално напрежение приблизително 1,3 - 1,5 V и крайно напрежение 0,7 - 1 V. Сухите клетки или батерии не трябва да се съхраняват по-дълго от периода, посочен върху тях преди употреба; в противен случай продължаващата функционалност не е гарантирана. Въпреки това, когато се съхранява за посочения период, има леко намаляване на капацитета, но не повече от една трета.
Напоследък малки по размер оксидно-живачни (живачно-цинкови) запечатани елементи с повече високо качество, а не елементи от типа MC. Структурата на оксидно-живачните елементи е показана на фиг. 5. Елементът има стоманено тяло, състоящо се от две половини, разделени една от друга с уплътнително изолиращо гумено уплътнение.
В едната половина на тялото се притиска активна маса от живачен оксид (HgO) с графит, който е положителен електрод. Отрицателният електрод е цинков прах, пресован в другата половина на корпуса. Алкалният електролит (KOH) импрегнира порестия разделител, който разделя електродите. Тези елементи се произвеждат различни размерии различен капацитет (от десети от амперчаса до няколко амперчаса)
часа). Техният ЕМП е приблизително 1,35 V. Срокът на годност на тези елементи е 2,5 години. Саморазрядът не надвишава 1% годишно. В сравнение с MC елементите, живак-

Ориз. 5. Конструкция на запечатан елемент от живачен оксид;
1 – стоманено тяло с положителен електрод; 2 – поресто уплътнение; 3 – гумено уплътнение; 4 – капак на корпуса с отрицателен електрод.
но - цинковите елементи имат по-висок капацитет, по-ниско вътрешно съпротивление, но повече висока цена. Те се използват широко в електронни часовници, пейсмейкъри, фото експонометри и измервателни инструменти. Най-малките елементи са с размери само няколко милиметра и маса от десети от грама.
Важна характеристикаелементи от живачен оксид е стабилност на напрежението по време на разреждане. Едва в самия край на разреждането напрежението пада рязко до нула.
3. СВЪРЗВАНЕ НА ЕЛЕМЕНТИ В БАТЕРИИ.
По-горе беше казано, че ЕМП на обикновен химичен елемент е приблизително 1,5 V. За увеличаване на ЕМП се използва батерия с последователно свързване на елементи. В този случай "+" на единия елемент е свързан с "–" на другия и т.н. "Минусът" на първия и "плюсът" на последния са полюсите на цялата батерия (фиг. 6 .).
При серийна връзкаелементи, ЕДС се увеличава толкова пъти, колкото има свързани елементи.

Фиг.6. Последователно и паралелно свързване на елементи в батерия.
По-рядко срещано е паралелното свързване на клетки, при което положителните полюси на всички клетки са свързани заедно, за да образуват положителния полюс на батерията, а отрицателният полюс на батерията се получава чрез свързване на отрицателните полюси на клетките (фиг. 6). При паралелно свързване на елементи ЕДС на батерията не се увеличава, но капацитетът и максималният ток на разреждане се увеличават. Следователно, паралелно свързване се използва, когато е необходимо да се получи по-висок разряден ток и по-голям капацитет от този на един елемент.
Много по-често те прибягват до смесена връзка, при която се увеличават както ЕМП, така и капацитетът и максималният ток на разреждане. В този случай няколко групи елементи обикновено са свързани паралелно и във всяка група толкова елементи, колкото е необходимо, са свързани последователно, за да се получи необходимата ЕМП.

Ориз. 7. Смесено свързване на елементи в батерия.
Броят на паралелните групи се определя от необходимия максимален разряден ток (фиг. 7). Като цяло е препоръчително да се конструират батерии от последователно свързани клетки с достатъчен разряден ток. И само в случай, че е необходимо да се получи по-висок ток или увеличен капацитет, те прибягват до смесена връзка. Включване допълнителни елементиспоред принципа на смесената връзка се използва и за повишаване на напрежението, ако елементите са силно разредени.
Когато батерията е неактивна, паралелните групи от елементи трябва да бъдат изключени една от друга, тъй като дори поради малка разлика в ЕМП, една група може да се разреди в друга.

Министерство на образованието и науката на Руската федерация

Национален изследователски ядрен университет "МИФИ"

Балаковски инженерно-технологичен институт

ГАЛВАНИЧНИ ЕЛЕМЕНТИ

Насоки

по курс "Химия"

всички форми на обучение

Балаково 2014г

Цел на работата: изучаване на принципа на работа на галваничните клетки.

ОСНОВНИ ПОНЯТИЯ

ЕЛЕКТРОХИМИЧНИ ПРОЦЕСИ НА ГРАНИЦАТА НА ФАЗИТЕ

Атомните йони са разположени на местата на металните кристални решетки. Когато метал се потопи в разтвор, започва сложно взаимодействие на повърхностни метални йони с молекули на полярния разтворител. В резултат на това металът се окислява и неговите хидратирани (солватирани) йони преминават в разтвор, оставяйки електрони в метала:

Me + mH 2 O Me(H 2 O) + не -

Металът е зареден отрицателно, а разтворът е зареден положително. Възниква електростатично привличане между тези, които са се превърнали в течност от хидратирани катиони и металната повърхност и на границата метал-разтвор се образува двоен електрически слой, характеризиращ се с определена потенциална разлика - електроден потенциал.

Ориз. 1 Електрически двоен слой на интерфейса метал-разтвор

Заедно с тази реакция протича и обратна реакция - редукцията на металните йони до атоми.

Me(H2O) + ne
Me + m H 2 O -

При определена стойност на потенциала на електрода се установява равновесие:

Me + mH 2 O
Me(H2O) + не -

За простота водата не е включена в уравнението на реакцията:

мех
Аз 2+ +ne -

Потенциалът, установен при условията на равновесие на електродната реакция, се нарича равновесен електроден потенциал.

ГАЛВАНИЧНИ ЕЛЕМЕНТИ

Галванични клетки– химически източници на електрическа енергия. Те са системи, състоящи се от два електрода (проводници от първи вид), потопени в разтвори на електролити (проводници от втори тип).

Електрическата енергия в галваничните клетки се получава чрез окислително-редукционния процес, при условие че реакцията на окисление се извършва отделно на единия електрод и реакцията на редукция на другия. Например, когато цинкът се потопи в разтвор на меден сулфат, цинкът се окислява и медта се редуцира

Zn + CuSO 4 = Cu + ZnSO 4

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

Възможно е тази реакция да се проведе така, че процесите на окисление и редукция да са пространствено разделени; тогава преходът на електрони от редуктора към окислителя няма да се случи директно, а чрез електрическа верига. На фиг. Фигура 2 показва диаграма на галваничен елемент на Daniel-Jacobi; електродите са потопени в солеви разтвори и са в състояние на електрическо равновесие с разтворите. Цинкът, като по-активен метал, изпраща повече йони в разтвора от медта, в резултат на което цинковият електрод, поради оставащите върху него електрони, се зарежда по-отрицателно от медния. Разтворите са разделени от преграда, която е пропусклива само за йони в електрическо поле. Ако електродите са свързани един с друг с проводник (медна жица), тогава електроните от цинковия електрод, където има повече от тях, ще преминат през външната верига към медния. Появява се непрекъснат поток от електрони - електричество. В резултат на загубата на електрони от цинковия електрод Zn започва да преминава в разтвор под формата на йони, попълвайки загубата на електрони и по този начин се опитва да възстанови равновесието.

Електродът, на който протича окислението, се нарича анод. Електродът, при който се извършва редукция, се нарича катод.

Анод (-) Катод (+)

Ориз. 2. Схема на галваничен елемент

Когато работи медно-цинков елемент, възникват следните процеси:

1) анодно – процес на окисление на цинк Zn 0 – 2e→Zn 2+;

2) катоден – процесът на редукция на медни йони Cu 2+ + 2e→Cu 0 ;

3) движение на електрони по външната верига;

4) движение на йони в разтвора.

В лявото стъкло има липса на SO 4 2-аниони, а в дясното има излишък. Следователно във вътрешната верига на работеща галванична клетка се наблюдава движението на SO 4 2- йони от дясното стъкло вляво през мембраната.

Обобщавайки електродните реакции, получаваме:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

На електродите протичат реакции:

Zn+SO 4 2- →Zn 2+ +SO 4 2- + 2e(анод)

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

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

Диаграма на галванична клетка: (-) Zn/ZnSO 4 | |CuSO 4 /Cu(+)

или в йонна форма: (-) Zn/Zn 2+ | |Cu 2+ /Cu(+), където вертикална линия означава границата между метала и разтвора, а две линии показват границата между две течни фази - пореста преграда (или свързваща тръба, пълна с електролитен разтвор).

Максимална електрическа работа (W) при преобразуване на един мол вещество:

W=nF E, (1)

където ∆E е ЕДС на галваничния елемент;

F - числото на Фарадей, равно на 96500 C;

n е зарядът на металния йон.

Електродвижещата сила на галваничния елемент може да се изчисли като потенциалната разлика между електродите, които изграждат галваничния елемент:

EMF = E оксид. – E възстановяване = E k – E a,

Където ЕМП - електродвижещисила;

Е оксид. – електроден потенциал на по-малко активния метал;

E recover - електроден потенциал на по-активния метал.

СТАНДАРТНИ ЕЛЕКТРОДНИ ПОТЕНЦИАЛИ НА МЕТАЛИ

Невъзможно е директно да се определят абсолютните стойности на електродните потенциали на металите, но може да се определи разликата в електродните потенциали. За да направите това, намерете потенциалната разлика между електрода, който се измерва, и електрода, чийто потенциал е известен. Най-често като референтен електрод се използва водороден електрод. Следователно се измерва ЕМП на галваничен елемент, съставен от тестов и стандартен водороден електрод, чийто потенциал на електрода се приема равен на нула. Веригите на галваничните клетки за измерване на потенциала на метала са както следва:

H 2, Pt|H + || Аз n + | Аз

Тъй като потенциалът на водородния електрод е условно равен на нула, ЕДС на измервания елемент ще бъде равна на електродния потенциал на метала.

Стандартен електроден потенциал на металасе нарича електроден потенциал, който възниква, когато метал се потопи в разтвор на собствен йон с концентрация (или активност) от 1 mol/l, при стандартни условия, измерен в сравнение със стандартен водороден електрод, чийто потенциал при 25 0 C условно се приема за нула. Чрез подреждането на металите в редица с увеличаване на техните стандартни електродни потенциали (E°) се получава така наречената серия от напрежение.

Колкото по-отрицателен е потенциалът на Me/Me n+ системата, толкова по-активен е металът.

Електроден потенциал на метал, потопен в разтвор на собствена сол при стайна температура, зависи от концентрацията на йони със същото име и се определя от формулата на Нернст:

, (2)

където E 0 – нормален (стандартен) потенциал, V;

R – универсална газова константа, равна на 8,31 J (mol. K);

F – число на Фарадей;

T - абсолютна температура, K;

C е концентрацията на метални йони в разтвор, mol/l.

Замествайки стойностите на R, F, стандартната температура T = 298 0 K и коефициента на преобразуване от естествени логаритми (2.303) до десетични, получаваме формула, удобна за използване:

(3)

КОНЦЕНТРАЦИОННИ ГАЛВАНИЧНИ ЕЛЕМЕНТИ

Галваничните елементи могат да бъдат съставени от два електрода от абсолютно еднакво естество, потопени в разтвори на един и същ електролит, но с различни концентрации. Такива елементи се наричат ​​елементи на концентрация, например:

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

В концентрационните вериги за двата електрода стойностите на n и E 0 са еднакви, следователно, за да изчислите EMF на такъв елемент, можете да използвате

, (4)

където C 1 е концентрацията на електролита в по-разреден разтвор;

C 2 - концентрация на електролит в по-концентриран разтвор

ПОЛЯРИЗАЦИЯ НА ЕЛЕКТРОДИ

Равновесните електродни потенциали могат да бъдат определени при липса на ток във веригата. Поляризация- промяна в потенциала на електрода при преминаване на електрически ток.

E = E i - E p , (5)

където Е е поляризация;

E i е потенциалът на електрода по време на преминаване на електрически ток;

E p - равновесен потенциал. Поляризацията може да бъде катодна E K (на катода) и анодна E A (на анода).

Поляризацията може да бъде: 1) електрохимична; 2) химически.

ИЗИСКВАНИЯ ЗА БЕЗОПАСНОСТ НА ТРУДА

1. Експериментите с неприятно миришещи и токсични вещества трябва да се извършват в абсорбатор.

2. При разпознаване на отделяния газ по миризма, трябва да насочите струята с движения на ръката от съда към себе си.

3. Когато извършвате експеримента, трябва да се уверите, че реактивите не попадат върху лицето, дрехите ви или човек, стоящ до вас.

4. Когато нагрявате течности, особено киселини и основи, дръжте епруветката с отвора далеч от вас.

5. Когато разреждате сярна киселина, не трябва да добавяте вода към киселината, трябва да излеете киселината внимателно, на малки порции в студена вода, като разбърквате разтвора.

6. След приключване на работа измийте добре ръцете си.

7. Препоръчително е отработените разтвори на киселини и основи да се изливат в специално приготвени съдове.

8. Всички бутилки с реактиви трябва да бъдат затворени с подходящи запушалки.

9. Реагентите, останали след работа, не трябва да се изливат или наливат в бутилки с реагенти (за да се избегне замърсяване).

Работен ред

Упражнение 1

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ДЕЙНОСТТА НА МЕТАЛИ

Инструменти и реактиви: цинк, гранулиран; меден сулфат CuSO 4, 0,1 N разтвор; епруветки

Потопете парче гранулиран цинк в 0,1 N разтвор на меден сулфат. Оставете го да стои тихо на статива и вижте какво ще се случи. Напишете уравнение за реакцията. Направете заключение кой метал може да се вземе като анод и кой като катод за следващия опит.

Задача 2

ГАЛВАНИЧЕН КЛЕТЪК

Уреди и реактиви: Zn, Cu – метали; цинков сулфат, ZnSO 4, 1 М разтвор; меден сулфат CuSO 4, 1 М разтвор; калиев хлорид KCl, концентриран разтвор; галванометър; очила; U-образна тръба, вата.

Изсипете до ¾ обем от 1 М разтвор на метална сол, който е анод, в една чаша и същия обем от 1 М разтвор на метална сол, който е катод, в другата чаша. Напълнете U-образната тръба с концентриран разтвор на KCl. Покрийте краищата на тръбата с дебели парчета памучна вата и ги спуснете в двете чаши, така че да се потопят в приготвените разтвори. Поставете пластина с метален анод в една чаша и пластина с метален катод в друга; монтирайте галванична клетка с галванометър. Затворете веригата и маркирайте посоката на тока с помощта на галванометър.

Начертайте схема на галваничен елемент.

Напишете електронни уравнения за реакциите, протичащи на анода и катода на този галваничен елемент. Изчислете ЕМП.

Задача 3

ОПРЕДЕЛЯНЕ НА АНОД ОТ ЗАПАЗЕН КОМПЛЕКТ ПЛОЧИ

Уреди и реактиви: Zn, Cu, Fe, Al – метали; цинков сулфат, ZnSO 4, 1 М разтвор; меден сулфат CuSO 4, 1 М разтвор; алуминиев сулфат Al 2 (SO 4) 3 1 М разтвор; железен сулфат FeSO 4, 1 М разтвор; калиев хлорид KCl, концентриран разтвор; очила; U-образна тръба, вата.

Съставете галванични двойки:

Zn/ZnSO 4 ||FeSO 4 /Fe

Zn/ZnSO 4 || CuSO4/Cu

Al/Al 2 (SO 4) 3 || ZnSO4/Zn

От посочения набор от пластини и разтвори на соли на тези метали сглобете галваничен елемент, в който катод ще бъде цинкът (задача 2).

Напишете електронни уравнения за реакциите, протичащи на анода и катода на сглобения галваничен елемент.

Напишете редокс реакцията, която е в основата на работата на този галваничен елемент. Изчислете ЕМП.

ИЗГОТВЯНЕ НА ДОКЛАДА

Лабораторният дневник се попълва по време на лабораторните занятия при приключване на работата и съдържа:

дата на завършване на работата;

наименование на лабораторната работа и нейния номер;

наименованието на експеримента и целта на провеждането му;

наблюдения, уравнения на реакцията, схема на устройството;

тестови въпроси и задачи по темата.

КОНТРОЛНИ ЗАДАЧИ

1. Кои от следните реакции са възможни? Напишете уравнения на реакцията в молекулярна форма и създайте електронни уравнения за тях:

Zn(NO 3) 2 + Cu →

Zn(NO 3) 2 + Mg →

2. Начертайте диаграми на галванични клетки, за да определите нормалните електродни потенциали на Al/Al 3+, Cu/Cu 2+ сдвоени с нормален водороден електрод.

3. Изчислете ЕДС на галваничния елемент

Zn/ZnSO4 (1М)| |CuSO 4 (2M)

Какви химични процеси протичат по време на работата на този елемент?

4. Химически чистият цинк почти не реагира със солна киселина. Когато оловен нитрат се добави към киселина, се получава частично отделяне на водород. Обяснете тези явления. Запишете уравнения за протичащите реакции.

5. Медта е в контакт с никел и е потопена в разреден разтвор на сярна киселина, какъв процес се случва на анода?

6. Начертайте диаграма на галванична клетка, която се основава на реакция, протичаща по уравнението: Ni+Pb(NO 3) 2 =Ni(NO 3) 2 +Pb

7. Манганов електрод в разтвор на неговата сол има потенциал 1,2313 V. Изчислете концентрацията на Mn 2+ йони в mol/l.

Време, отделено за лабораторна работа

Литература

Основен

1. Глинка. НА. Обща химия: учебник. наръчник за университети. – М.: Интеграл – Прес, 2005. – 728 с.

2. Коржуков Н. Г. Обща и неорганична химия. – М.: MISIS;

ИНФРА-М, 2004. – 512 с.

Допълнителен

3. Фролов В.В. Химия: учебник. надбавка за колежи. – М.: Висше. училище, 2002. –

4. Коровин Н.В.. Обща химия: учебник за техника. посока и специални университети – М.: Висше. училище, 2002.–559 с.: ил.

4. Ахматов Н.С. Обща и неорганична химия: учебник за университетите. - 4-то изд., коригирано - М.: Висше. училище, 2002. –743 с.

5. Глинка Н.А. Задачи и упражнения по обща химия. – М.: Интеграл – Прес, 2001. – 240 с.

6. Метелски A.V. Химия във въпроси и отговори: справочник. – Мн.: Бел.ен., 2003. – 544 с.

галванични клетки

Насоки

за извършване на лабораторна работа

по курс "Химия"

за студенти от технически направления и специалности,

"Обща и неорганична химия"

за студенти от направление "Химични технологии"

всички форми на обучение

Съставител: Синицина Ирина Николаевна

Тимошина Нина Михайловна

Галваничен елемент

Диаграма на галваничен елемент Даниел-Якоби

Галваничен елемент- въз основа на взаимодействието на два метала и (или) техните оксиди в електролит, което води до възникване на електрически ток в затворена верига. Кръстен на Луиджи Галвани.

Феноменът на възникване на електрически ток при контакт на различни метали е открит от италианския физиолог, професор по медицина в университета в Болоня Луиджи Галвани през 1786 г. Галвани описва свиването на мускулите на задните крака на прясно разрязана жаба, прикрепена към медни куки, при докосване със стоманен скалпел. Наблюденията са интерпретирани от откривателя като проява на „животински електричество“.

Електрохимични генератори (горивни клетки)- това са елементите, в които се извършва трансформацията химична енергиякъм електрически. Окислителят и редуциращият агент се съхраняват извън клетката и непрекъснато и отделно се подават към електродите по време на работа. По време на работа на горивната клетка електродите не се изразходват. Редуциращият агент е водород (H 2), метанол (CH 3 OH), метан (CH 4) в течност или газообразно състояние. Окислителят обикновено е кислород от въздуха или чист кислород. В кислородно-водородната горивна клетка с алкален електролит химическата енергия се преобразува в електрическа. Електроцентралите се използват на космически кораби; те осигуряват енергия на космическия кораб и астронавтите.

Приложение

• Батерииизползвани в алармени системи, фенерчета, часовници, калкулатори, аудио системи, играчки, радио, авто оборудване, дистанционни управления.
• БатерииИзползват се за стартиране на автомобилни двигатели, могат да се използват и като временни източници на електроенергия в отдалечени от населени места места.
• Горивни клеткиизползвани в производството електрическа енергия(в електроцентрали), аварийни източници на енергия, автономно захранване, транспорт, бордово захранване, мобилни устройства.

Вижте също

Литература

• Ахметов Н.С. Обща и неорганична химия
• Аксенович Л. А. Физика в средното училище: теория. Задачи.

Връзки

Галванични клетки и батерии

Галваничен елемент или галванична двойка е устройство, състоящо се от две метални пластини (едната от които може да бъде заменена с коксови пластини), потопени в една или две различни течности и служещи като източник на галваничен ток. Определен брой волтови елементи, свързани един с друг по известен начин, съставляват галванична батерия. Най-простият по структура елемент се състои от две плочи, потопени в глинена или стъклена чаша, в които се налива течност, съответстваща на вида на плочата; плочите не трябва да имат метален контакт в течността. Г. елементи се наричат първиченако те са независими източници на ток, и вториако те стават ефективни само след повече или по-малко продължително излагане на източници на електричество, които ги зареждат. Когато разглеждаме произхода на волтовите елементи, трябва да започнем с волтовия стълб, предшественика на всички следващи галванични батерии, или с волтовата чашна батерия.

Колона за напрежение.За да го състави, Волта взе двойки различни метални кръгове, сгънати или дори запоени в основата, и картонени или платнени кръгове, навлажнени с вода или разтвор на каустичен калий. Първоначално са използвани сребърни и медни чаши, а след това обикновено цинк и мед. От тях е направен стълб, както е показано на диаграмата. 1, а именно: първо се поставя медна плоча и върху нея цинкова плоча (или обратно), върху която се поставя навлажнено картонено кръгче; това представляваше една двойка, върху която беше насложена втора, отново съставена от медни, цинкови и картонени кръгове, насложени един върху друг в същия ред, както в първата двойка.

Продължавайки да прилагате следващите двойки в същия ред, можете да създадете стълб; стълбът, показан в дявола. 1, отляво, се състои от 11 волтови двойки. Ако стълб е монтиран върху плоча от изолиращо, т.е. непроводимо вещество, например стъкло, тогава, започвайки от средата му, едната половина на колоната (долната част на нашия чертеж) ще бъде заредена с положително електричество, а другото (горната част на чертежа) - отрицателно. Интензитетът на електричеството, незабележим в средата, се увеличава с приближаването към краищата, където е най-голям. Проводниците са запоени към най-долната и най-високата плоча; привеждането на свободните краища на проводниците в контакт води до движение на положително електричество от долния край на полюса през проводника към горния и движение на отрицателно електричество в обратна посока; образува се електрически или галваничен ток (виж тази дума). Волта счита две плочи от различни метали за двойка и приписва на течността само способността да провежда електричество (виж Галванизъм); но според възгледа, установен по-късно, двойката се състои от две различни плочи и течен слой между тях;следователно най-горната и долната плоча на стълба (фиг. 1 вдясно) могат да бъдат отстранени. Такъв стълб ще се състои от 10 двойки и тогава най-долната му пластина ще бъде медна, а най-горната ще бъде цинкова, а посоката на движение на електричеството или посоката на галваничния ток ще остане същата: от долния край на стълба (сега от цинк) към горния (към мед). Медният край на полюса се нарича положителен полюс, а цинковият край се нарича отрицателен полюс. Впоследствие, в терминологията на Фарадей, положителният полюс се нарича анод,отрицателен - катод.Волтовата колона може да бъде положена хоризонтално в корито, покрито отвътре с изолационен слой от восък, слят с харпий. В наши дни волтовият стълб не се използва поради големия труд и време, необходими за сглобяването и разглобяването му; но в миналото са използвали стълбове, съставени от стотици и хиляди двойки; Професор В. Петров го използва в Санкт Петербург през 1801-2. По време на своите експерименти с колона, понякога състояща се от 4200 чифта (виж Галванизъм), Волта изгради своя апарат в друга форма, която е формата на по-късните батерии. Батерията на Волта (corona di tazze) се състоеше от чаши, разположени около обиколката на кръг, в който се налива топла вода или солен разтвор; във всяка чаша имаше две различни метални пластини, една срещу друга. Всяка пластина е свързана с тел към различна пластина на съседната чаша, така че от една чаша до друга по цялата обиколка пластините постоянно се редуват: цинк, мед, след това отново цинк и мед и т.н. На мястото, където кръгът се затваря , в едната чаша има цинкова пластина, в другата - медна; по жицата, свързваща тези външни плочи, токът ще тече от медната плоча (положителен полюс) към цинковата плоча (отрицателен полюс). Волта смята тази батерия за по-малко удобна от стълба, но всъщност формата на батерията става широко разпространена. Всъщност структурата на волтовия стълб скоро беше променена (Cruikshank): продълговата дървена кутия, разделен напречно от медни и цинкови плочи, споени заедно в малки отделения, в които се излива течност, беше по-удобен от конвенционалната волтова колона. Още по-добра беше кутия, разделена на отделения с дървени напречни стени; От двете страни на всяка преграда бяха поставени медни и цинкови пластини, като отгоре бяха запоени заедно, където освен това беше оставено ухо. Дървена пръчка, преминавайки през всички уши, служи за повдигане на всички плочи от течността или за потапянето им.

Елементи с една течност.Скоро след това започват да се правят отделни двойки или клетки, които могат да се комбинират в батерии. различни начини. Силата на електрическо възбуждане на елементите зависи от металите и течностите и техните компоненти, а вътрешното съпротивление зависи от течностите и размера на елементите. За да се намали съпротивлението и да се увеличи интензивността на тока, е необходимо да се намали дебелината на течния слой между различни плочи и да се увеличи размерът на потопената повърхност на металите. Това се прави в Елемент Wollaston(Wollaston - според по-правилното произношение Wulsten). Цинкът се поставя вътре в огъната медна плоча, в която са вмъкнати парчета дърво или корк, за да се предотврати докосването на плочите; към всяка от плочите е запоена жица, обикновено медна; краищата на тези проводници се поставят в контакт с обект, през който те искат да преминат ток, протичащ в посока от мед към цинк по външните проводници и от цинк към мед по вътрешни частиелемент. По принцип токът протича вътре в течността от метал, върху който течността действа химически по-силно, към друг, върху който действа по-слабо.В тази клетка двете повърхности на цинковата плоча служат за протичане на електричество; Този метод за удвояване на повърхността на една от плочите по-късно се използва при подреждането на всички елементи с една течност. Елементът Wollaston използва разредена сярна киселина, която се разлага по време на действието на тока (виж Галванична проводимост); резултатът от разлагането ще бъде окисляването на цинка и образуването на цинков сулфат, разтваряне във вода, и освобождаването на водород върху медната плоча, която по този начин влиза в поляризирано състояние (вижте Галванична поляризация и Галванична проводимост), намалявайки тока сила. Променливостта на това поляризирано състояние е придружена от променливост на силата на тока.

От много елементи с една течност наричаме медийни елементи(Smee) и Грейн,в първия - платина или платинирано сребро сред две цинкови плочи, всички потопени в разредена сярна киселина. Химическото действие е същото като в елемента на Уоластън и е поляризирано от водород в платината; но токът е по-малко променлив. Силата на електрическо възбуждане е по-голяма, отколкото при мед-цинк.

Елементът на Гренесъстои се от цинкова плоча, поставена между две плочки, изрязани от кокс; течността за този елемент се приготвя според различни рецепти, но винаги от дихромоколиева сол, сярна киселина и вода. Според една рецепта за 2500 грама вода трябва да вземете 340 грама от посочената сол и 925 грама сярна киселина. Силата на електрическо възбуждане е по-голяма, отколкото в елемента Wollaston.

По време на действието на елемента Grenet се образува цинков сулфат, както в предишните случаи; но водородът, комбинирайки се с кислорода на хромовата киселина, образува вода; в течността се образува хромирана стипца; поляризацията се намалява, но не се елиминира. За елемента Grenet, стъклен съд с разширена отдолу, както е показано на фиг. 7 таблица "Галванични клетки и батерии". Налива се толкова течност, че цинковата плоча Z,който е по-къс от кока С,беше възможно чрез издърпване на пръта, прикрепен към него T,извадете от течността за времето, когато елементът трябва да остане неактивен. Щипки V, V,свързан - един с ръб на прът T,и следователно, с цинк, а другият с ръб от въглища, са присвоени на краищата на проводниковите проводници. Нито плочите, нито техните рамки имат метален контакт една с друга; токът протича по свързващите проводници през външни обекти в посока от кокс към цинк. Въглеродно-цинковият елемент може да се използва с разтвор на готварска сол (в Швейцария, за телеграфи, разговори) и тогава е валиден 9-12 месеца. без грижи.

Елемент на Лаланд и Шаперон,подобрен от Edison, се състои от плоча от цинк и друга пресована от меден оксид. Течността е разтвор на калий каустик. Химическото действие е окисление на цинка, който след това образува съединение с калий; Отделеният водород, окислен от кислорода на цинковия оксид, става част от получената вода, а медта се редуцира. Вътрешното съпротивление е ниско. Силата на възбуждане не е определена с точност, но е по-малка от тази на елемента Даниел.

Елементи с две течности.Тъй като еволюцията на водорода на един от твърди вещества G. елементи е причина, която намалява силата на тока (всъщност електрически възбуждащ) и го прави непоследователен, тогава поставянето на плочата, върху която се освобождава водород, в течност, способна да отдава кислород, за да се комбинира с водород, трябва да направи тока постоянен. Бекерел е първият, който конструира (1829) медно-цинков елемент с две течности за посочената цел, когато елементите на Грене и Лаланд все още не са били известни. По късно Даниел(1836) проектира подобен елемент, но по-удобен за използване. За разделяне на течности са необходими два съда: един стъклен или глазиран глинен съд, който съдържа цилиндричен, глинен, слабо изпечен и следователно порест съд, в който се излива една от течностите и се поставя един от металите; в пръстеновидното пространство между два съда се налива друга течност, в която се потапя пластина от друг метал. В елемента на Даниел цинкът е потопен в слаба сярна киселина, а медта е потопена във воден разтвор на меден (син) сулфат. Фиг. 1 от таблицата изобразява 3 елемента Daniel, свързани в батерия;

цилиндри, огънати от цинк, се поставят във външни стъклени чаши, медни пластини, също във формата на цилиндър или огънати като буквата S, се поставят във вътрешни глинени цилиндри. Можете да го поставите обратното, т.е. мед във външни съдове. Токът протича от мед към цинк през външни проводници и от цинк към мед през течността в самата клетка или батерия и двете течности се разлагат едновременно: цинковият сулфат се образува в съд със сярна киселина, а водородът отива към медната плоча, в същото време медният сулфат (CuSO 4) се разлага на мед (Cu), който се отлага върху медната плоча, и отделно несъществуващо съединение (SO 4), което чрез химичен процес образува вода с водород, преди да има време да се отделят под формата на мехурчета върху медта. Порестата глина, лесно овлажнена от двете течности, прави възможно химичните процеси да се предават от частица на частица през двете течности от един метал към друг. След действието на тока, чиято продължителност зависи от силата му (а това последното отчасти от външните съпротивления), както и от количеството течности, съдържащи се в съдовете, целият меден сулфат се изразходва, както се вижда от обезцветяването на неговото решение; тогава започва отделянето на водородни мехурчета върху медта и в същото време поляризацията на този метал. Този елемент се нарича постоянен, който обаче трябва да се разбира относително: първо, дори при наситен витриол има слаба поляризация, но основното е, че вътрешното съпротивление на елемента първо намалява и след това се увеличава. Поради тази втора и основна причина в началото на действието на елемента се забелязва постепенно нарастване на тока, толкова по-значително, колкото по-малко силата на тока се отслабва от външни или вътрешни съпротивления. След половин час, час или повече (продължителността се увеличава с количеството течност с цинк), токът започва да отслабва по-бавно, отколкото се е увеличил, и след още няколко часа достига първоначалната си сила, като постепенно отслабва допълнително. Ако в съд с разтвор меден сулфатзапас от тази сол се поставя в неразтворена форма, след което това продължава съществуването на тока, както и заместването на получения разтвор на цинков сулфат с прясна разредена сярна киселина. Въпреки това, при затворен елемент нивото на течността с цинк постепенно намалява, а с мед се увеличава - обстоятелство, което само по себе си отслабва тока (от увеличаване на съпротивлението по тази причина) и освен това показва преход на течност от един съд в друг (прехвърляне на йони, вж. Галванична проводимост, галванична осмоза). Медният сулфат се просмуква в съда с цинк, от който цинкът освобождава медта чисто химически, карайки го да се утаи отчасти върху цинка и отчасти по стените на глинения съд. Поради тези причини има голяма загуба на цинков и меден сулфат, който е безполезен за ток. Стихията на Даниел обаче все още е една от най-постоянните. Глинено стъкло, макар и намокрено от течност, представлява голяма устойчивост на ток; като се използва пергамент вместо глина, токът може значително да се увеличи чрез намаляване на съпротивлението (елемент на Каре);пергаментът може да бъде заменен с животински балон. Вместо разредена сярна киселина можете да използвате разтвор на готварска или морска сол за цинк; възбудителната сила остава почти същата. Химическите ефекти не са изследвани.

Елемент на Майдингер.За чести и продължителни и освен това сравнително постоянни, но слаби токове може да се използва елементът на Meidinger (фиг. 2 от таблицата), който е модификация на елемента на Daniel. Външното стъкло има разширение в горната част, където върху вътрешната устна е поставен цинков цилиндър; На дъното на чашата се поставя друга малка, в която се поставя цилиндър, навит от медна ламарина, или се поставя меден кръг на дъното на вътрешния съд, който се пълни с разтвор на меден сулфат. След това внимателно изсипете отгоре разтвор на магнезиев сулфат, който запълва всичко свободно пространствовъншен съд и не измества разтвора на витриола, тъй като има по-голямо специфично тегло. Въпреки това, чрез дифузия на течности, витриолът бавно достига до цинка, където се отказва от медта си. За да се поддържа насищането на този разтвор, вътре в елемента се поставя обърната стъклена колба с парчета меден сулфат и вода. Проводниците излизат навън от металите; техните части в течността имат гутаперкова обвивка. Липсата на глинен съд в елемента позволява той да се използва дълго време без да се променят частите му; но вътрешното му съпротивление е високо, трябва да се премества от място на място много внимателно и съдържа много меден сулфат, който е безполезен за ток; в колбата дори на малък елемент се поставя около 1/2 килограм витриол. Много е подходящ за телеграфи, електрически звънци и други подобни случаии стои с месеци. Елементи Кало и Труве-Калоподобни на елементите на Meidinger, но по-прости от последните. Крестенв Санкт Петербург той също организира полезна модификация на елемента на Майдингер. Елемент Томсънпод формата на чиния или поднос има модифициран Daniel's; порести плоски мембрани, направени от пергаментова хартия, отделят една течност от друга, но можете да правите и без мембрани. елемент СименсИ Халскесъщо принадлежи към категорията на Daniel's. Елемент на Миното.Меден кръг в долната част стъклен буркан, върху който се изсипват кристалчета меден сулфат, а отгоре дебел слойсилициев пясък, върху който е нанесен цинков кръг. Всичко се пълни с вода. Издържа 1 1/2 до 2 години по телеграфни линии. Вместо пясък можете да вземете животински въглен на прах (Darsonval). Елемент Труве.Меден кръг, върху който има колона от кръгове, изработени от хартия, импрегнирана с меден сулфат отдолу и цинков сулфат отгоре. Малко количество вода, намокрящо хартията, активира елемента. Устойчивостта е доста висока, действието е продължително и постоянно.

Гроув елемент,платина-цинк; платината се потапя в силна азотна киселина, цинкът в слаба сярна киселина. Водородът, освободен от действието на тока, се окислява от кислорода на азотната киселина (NHO 2), който се превръща в азотен анхидрид (N 2 O 4), чиито освободени червено-оранжеви пари са вредни за дишането и развалят цялата мед части на апарата, които следователно са по-добре направени от олово. Тези елементи могат да се използват само в лаборатории, където има абсорбатори и в обикновена стаятрябва да се постави в печка или камина; имат висока сила на възбуждане и ниско вътрешно съпротивление - всички условия за висока сила на тока, която е толкова по-постоянна, колкото по-голям е обемът на течностите, съдържащи се в елемента. Фиг. 6 от таблицата показва такъв плосък елемент; извън него вдясно има огъната цинкова плоча, свързана с платинения лист на елемента Звторият елемент, в чиято гънка има плосък глинен съд Vза платина. Отляво има платинен лист, закрепен към цинковия елемент и принадлежащ на третия елемент. При тази форма на елементи вътрешното съпротивление е много малко, но силното въздействие на тока не трае дълго поради малкото количество течности. Токът протича от платината през външните проводници към цинка, съгласно общото правило, посочено по-горе.

Бунзенов елемент(1843), въглища-цинк, напълно замества предишния и е по-евтин от него, тъй като скъпата платина се заменя с коксови плочки. Течностите са същите като в елемента Grove, силата на електрическо възбуждане и съпротивлението са приблизително същите; посоката на тока е същата. Подобен елемент е показан на фиг. 3 маси; плочка с въглен, маркирана с буква С,с метална скоба със знак +; това е положителният полюс или анодът на елемента. От цинков цилиндър Зсъс скоба (отрицателен полюс или катод) има пластина с друга скоба, прикрепена към карбоновата плоча на втория елемент в случай на батерия. Гроув е първият, който заменя платината в своя елемент с въглища, но експериментите му са забравени. Дарсонвал елемент,въглерод-цинк; за въглища, смес от азотна и солна киселина, по 1 обем всяка, с 2 обема вода, съдържаща 1/20 сярна киселина. Фора елемент.- Вместо кокс бар се използва бутилка от графит и глина; Там се излива азотна киселина. Тази очевидно външна промяна в елемента на Бунзен прави използването на азотна киселина по-пълно.

Сосновски елемент.- Цинк в разтвор на натриев хидроксид или калиев хидроксид; въглища в течност, състояща се от 1 обем азотна киселина, 1 обем сярна киселина, 1 обем солна киселина, 1 обем вода. Забележителен с много високата си сила на електрическо възбуждане.

Елемент Калан.- Въглеродът на елементите на Бунзен е заменен с желязо; възбуждащата сила остава същата, както при използване на въглища. Желязото не е изложено на азотна киселина, тъй като е в пасивно състояние. Вместо желязо може полезно да се използва чугун с известно съдържание на силиций.

Елемент на Погендорфсе различава от елемента Бунзен, като замества азотната киселина с течност, подобна на тази, използвана в елемента Грене. За 12 тегловни части калиев дихромат, разтворен в 100 части вода, добавете 25 части силна сярна киселина. Силата на възбуждане е същата като в елемента на Бунзен; но вътрешното съпротивление е по-голямо. Кислородът в споменатата течност, отделен за окисляването на водорода, е по-малък, отколкото в азотна киселинапри същия обем. Липсата на миризма при използване на тези елементи, съчетана с други предимства, го направи най-удобен за използване. Поляризацията обаче не е напълно елиминирана. Имшенецки елемент,въглерод-цинк. Графитна (въглеродна) плоча в разтвор на хромна киселина, цинк в разтвор на натриева сулфидна сол. Голяма възбуждаща сила, ниско вътрешно съпротивление, почти пълно използване на цинк и много добро използване на хромна киселина.

елемент Лекланш,въглерод-цинк; вместо окисляваща течност, той съдържа прах (голям) от манганов пероксид при въглищната плоча, смесен с коксов прах (фиг. 5 таблица) във вътрешен, пропусклив за течности глинен буркан; Цинкова пръчка се поставя отвън в един от ъглите на специално оформената колба. Течността - воден разтвор на амоняк - се излива отвън и прониква в глинения буркан до въглищата (кокс), намокряйки мангановия пероксид; горната част на буркана обикновено се пълни със смола; оставят се дупки за излизане на газовете. Силата на възбуждане е средна между елементите Даниел и Бунзен, съпротивлението е високо. Този елемент, оставен затворен, дава ток с бързо намаляваща сила, но за телеграфи и домашна употреба той продължава една до две години при добавяне на течност. Когато амонякът (NH 4 Cl) се разложи, хлорът се отделя в цинк, образувайки цинков хлорид и амоняк с въглища. Мангановият пероксид, богат на кислород, преминава малко по малко в съединение с по-ниска степен на окисление, но не във всички части на масата, изпълваща глинения съд. За по-пълно използване на манганов пероксид и редукция вътрешно съпротивлениетези елементи са подредени без глинен буркан, а плочките са пресовани от манганов пероксид и въглища, между които е поставен кокс, както е показано на фиг. 4 маси. Този тип елементи могат да бъдат направени затворени и лесни за пренасяне; стъклото се заменя с рогова гума. Geff също модифицира този елемент, като замени разтвора на амоняк с разтвор на цинков хлорид.

Елемент на Мари-Деви,въглищно-цинков, съдържа с въглища тестообразна маса от живачен сулфат (Hg 2 SO 4), навлажнена с вода, поставена в порест глинен буркан. Слаба сярна киселина или дори вода се излива върху цинка, тъй като първият вече ще бъде освободен от живачната сол чрез действието на ток, при който водородът се окислява, а с въглищата се отделя метален живак, така че след известно време елемент става цинк-живак. Силата на електрическо възбуждане не се променя от използването на чист живак вместо въглища; той е малко по-голям, отколкото в елемента Leclanche, вътрешното съпротивление е голямо. Подходящи за телеграфи и като цяло за действие на прекъсващ ток. Тези елементи се използват и за медицински цели и предпочитат да бъдат заредени с живачен сулфатен оксид (HgSO 4). Формата на този елемент, удобна за медицински и други цели, е висок цилиндър от рогова гума, чиято горна половина съдържа цинк и въглища, а долната половина съдържа вода и живачен сулфат. Ако елементът е обърнат с главата надолу, той действа, но в първото положение не генерира ток.

Елемент Уорън Деларю- цинк-сребро. Тясна сребърна лента стърчи от цилиндър от стопен сребърен хлорид (AgCl), поставен в тръба от пергаментова хартия; цинкът има формата на тънка пръчка. Двата метала се поставят в стъклена тръба, запечатана с парафинова запушалка. Течността е разтвор на амоняк (23 части сол на 1 литър вода). Силата на електрическо възбуждане е почти същата (малко повече), както в елемента Даниел. Сребърният метал се отлага от сребърен хлорид върху сребърната лента на елемента и не се получава поляризация. Батерии, направени от тях, са използвани за експерименти върху преминаването на светлина в разредени газове (V, Warren Delarue). Гефдаде на тези елементи устройство, което ги прави удобни за носене; използвани за медицински индукционни бобини и за постоянен ток.

Елементи на Дюшомен, Парц, Фигие.Първият е цинк-въглерод; цинк в слабо решениеготварска сол, въглища - в разтвор на железен хлорид. Нестабилна и малко проучена. Парц замени цинка с желязо; разтвор на готварска сол има плътност 1,15, разтвор на железен хлорид има плътност 1,26. По-добър от предишния, въпреки че силата на електрическо възбуждане е по-малка. Figier използва една течност в желязно-въглищния елемент, получен чрез преминаване на поток от хлор през наситен разтвор на железен сулфат. Nyode елемент,въглерод-цинк. Цинкът е под формата на цилиндър, обграждащ порест глинен цилиндър, съдържащ коксови плочки, пълни с белина. Елементът е запечатан със запушалка, напълнена с восък; през дупката в него се излива разтвор от готварска сол (24 части на 100 части вода). Силата на електрическо възбуждане е голяма; при постоянно, донякъде продължително въздействие върху външното малко съпротивление, то скоро отслабва, но след час или два бездействие на елемента достига предишната си стойност.

Сухи елементи.Това име може да се даде на елементи, в които наличието на течност не е очевидно, когато тя се засмуква в порестите тела на елемента; по-добре да им се обадим мокър.Те включват описания по-горе медно-цинков елемент Trouvé и елемента Leclanche, модифициран от Germain. Последното използва влакна, извлечени от кокосови орехи; от него се приготвя маса, която силно абсорбира течност и газове, изглежда суха и приема само натиск под налягане мокър вид. Лесно преносим и подходящ за пътуващи телеграфни и телефонни станции. Елементи на Gasner (въглерод-цинк), които съдържат гипс, вероятно импрегниран с цинков хлорид или амоняк (пази се в тайна). Възбуждащата сила е приблизително същата като в елемента Leclanche, известно време след началото на действието на последния; вътрешното съпротивление е по-малко от това на Лекланш. В суха клетка Leclanche-Barbier пространството между външния цинков цилиндър и вътрешния кух цилиндър от агломерат, който включва манганов пероксид, се запълва с гипс, наситен разтвор с неизвестен състав. Първите, доста продължителни тестове на тези елементи бяха благоприятни за тях. Желатиново-глицеринов елемент Кузнецоваима мед-цинк; се състои от картонена кутия, импрегнирана с парафин с дъно, облепено с калай отвътре и отвън. Върху калай се изсипва слой от натрошен меден сулфат, върху който се излива желатиново-глицеринова маса, съдържаща сярна киселина. Когато тази маса се втвърди, се излива слой от натрошен амалгамен цинк, който отново се запълва със същата маса. Тези елементи изграждат батерия като волтова колона. Предназначен за разговори, телеграфи и телефони. Като цяло броят на различните сухи елементи е много значителен; но в мнозинството, поради тайния състав на течностите и агломератите, преценката за тях е възможна само практическа, но не и научна.

Елементи с голяма повърхност и ниско съпротивление.В случаите, когато е необходимо да се нажежат къси, доста дебели проводници или пластини, като например при някои хирургични операции (виж Галванокаустика), се използват елементи с големи метални повърхности, потопени в течност, което намалява вътрешното съпротивление и по този начин увеличава текущ. Методът на Wollaston за удвояване на повърхността се прилага към състава на повърхности от голям брой плочи, както е показано на фиг. 2, където y, y, y- в пространствата между плочите се поставят пластини от същия метал ц, ц, ц, цдруг метал.

Всички плочи са успоредни една на друга и не се допират, но всички с едно и също име са свързани с външни проводници в едно цяло. Цялата тази система е единен елемент от две плочи, всяка с повърхностна площ шест пъти по-голяма от показаната, с дебелина на течния слой между плочите, равна на разстоянието между всяка две плочи, показано на чертежа. Още в началото на този век (1822 г.) устройства с големи метална повърхност. Те включват големия елемент Gare, наречен дефлагратор. Дълги дължини от цинкови и медни листове, разделени от фланела или дървени пръчки, се навиват на валяк, в който листовете не влизат в метален контакт един с друг. Тази ролка е потопена във вана с течност и произвежда много силен ток, когато действа върху много малко външно съпротивление. Повърхността на всеки лист е около 50 квадратни метра. фута (4 кв. метра). В днешно време като цяло те се опитват да намалят вътрешното съпротивление на елементите, но им дават особено голяма повърхност за някои конкретни приложения, например в хирургията за изрязване на болезнени израстъци с гореща жица или плоча, за каутеризация (виж Галванокаустика ). Тъй като проводниците с ниско съпротивление се нагряват, токът може да се получи точно чрез намаляване на вътрешното съпротивление. Следователно голям брой плочи се поставят в галванокаустични елементи, подредени подобно на тези, показани на фиг. 2 текста. Устройството не разполага с никакви специални функции, но е адаптирано за удобна употреба; такива са например въглеродно-цинковите клетки или батериите Chardin с хромирана течност, използвани в Париж, Лион, Монпелие и Брюксел. Операторите трябва да бъдат предупредени за необходимостта от използване на токомер с много ниско съпротивление (амперметър или амперметър), за да се гарантира, че батерията е в добро състояние преди работа.

Нормални елементитрябва да запазят своята електрически възбуждаща сила или да имат постоянна потенциална разлика възможно най-дълго, когато се държат отворени, за да служат като нормална мерна единица при сравняване на електрически възбуждащи сили една с друга. За тази цел Rainier предложи двойка мед-цинк, в която повърхността на медта е много голяма в сравнение с цинка. Течността представлява разтвор на 200 части суха трапезна сол в 1000 части вода. При това условие поляризацията на медта е много слаба, ако този елемент се въведе във верига с високо съпротивление и за кратко време. Нормален елемент Латимър Кларксе състои от цинк в разтвор на цинков сулфат, живак и сол на живачен сулфид (Hg 2 SO 4). Нормален елемент Флеминг,медно-цинков, с разтвори на меден сулфат и цинков сулфат с определена, винаги постоянна плътност. Нормален елемент Лондонска пощенска и телеграфна служба,медно-цинков, с разтвор на цинков сулфат и кристали от меден сулфат с мед е много подходящ. За електрическата възбуждаща сила на елемента на Флеминг вижте табелата в края на статията.

Вторични елементи,или батерии,произхождат от второстепенните стълбове на Ритер (виж Галванизъм), които остават без специално внимание в продължение на 50 години. Колона на Ритер, състояща се от медни пластини, потопени в някаква течност, се поляризира след въздействието на волтов стълб върху нея и след това сама може да генерира ток, чиято посока е противоположна на първичния ток. През 1859 г. Планте конструира елемент, състоящ се от два оловни листа, навити в спирала като дефлагратор на Gare, без взаимен метален контакт и потопени в слаба сярна киселина. Чрез свързване на един оловен лист към анода (положителния полюс), а другия към катода на батерия от най-малко 2 клетки на Бунзен или Погендорф, свързани последователно, и по този начин пропуска ток, протичащ в течността от олово към олово, като по този начин причинява отделянето на кислород върху оловна плоча, свързана с анода, и водород върху лист, свързан с катода. Върху анодната плоча се образува слой от оловен пероксид, докато катодната плоча е напълно изчистена от оксиди. Поради разнородността на плочите те образуват двойки с голяма електровъзбудна сила, даващи ток в посока, обратна на предходната. Голямата възбудителна сила, развиваща се във вторичния елемент и насочена противоположно на възбудителната сила на първичната батерия, е причината за изискването последната да надвишава първата. Два елемента на Погендорф, свързани последователно, имат възбуждаща сила от около 4 волта, но елемент на Планте само около 2 1/2. За да се заредят 3 или 4 елемента на Планте, свързани паралелно (виж Галванични батерии), всъщност, предишните 2 елемента на Погендорф биха били достатъчни, но тяхното действие ще бъде много бавно за окисляване на такава голяма повърхност от олово; следователно, за едновременно зареждане, например, на 12 елемента на Планте, свързани паралелно, се нуждаете от действието на 3-4 елемента на Бунзен с възбуждаща сила от 6-8 волта за няколко часа. Заредените клетки Plante, свързани последователно, развиват електрическа възбуждаща сила от 24 волта и произвеждат повече нажежаемост, например, отколкото зареждаща батерия, но ефектът на вторичната батерия ще бъде по-кратък. Количеството електричество, задвижено от вторичната батерия, не е повече от количеството електричество, преминало през нея от първичната батерия, но преминавайки през външните проводници при по-голямо напрежение или потенциална разлика, се изразходва за по-кратко време.

Клетките на Plante, след различни практически подобрения, бяха наречени батерии. През 1880 г. Форе излезе с идеята да покрие оловните плочи със слой червено олово, т.е. готов оловен оксид, който поради действието на първичния ток се окислява допълнително върху една плоча и деоксидира върху другият. Но методът за закрепване на червено олово изисква технически подобрения, които по същество се състоят в използването на оловна решетка, в която празните клетки се пълнят с тесто от червено олово и кал в слаба сярна киселина. Батерията Fitz-Gerald използва плочки от оловен оксид без метална основа; По принцип има много батерийни системи и ето изображение само на една от най-добрите (фиг. 8 от таблицата). Оловната решетка на Hagen се състои от две издатини една срещу друга, което предотвратява изпадането на парчета оловен оксид от рамката; специално изобразени разрези по линиите абИ CDОсновният чертеж обяснява структурата на тази рамка. Едната рамка е запълнена с червено олово, другата с кал (най-ниската степен на окисление на оловото). Нечетен брой, обикновено пет или седем, плочи са свързани по същия начин, както е обяснено в дявола. 2; в първия случай 3, във втория 4 са покрити с кал. От руските техници Яблочков и Хотински се възползваха от дизайна на батериите. Тези второстепенни елементи, които представляват едно техническо неудобство - много голямо тегло, са получили различни технически приложения, между другото, за домашно електрическо осветление в случаите, когато е невъзможно да се използва постоянен ток на динамо за тази цел. Заредените на едно място батерии могат да бъдат транспортирани на друго. Те вече се зареждат не с първични елементи, а с динамо, при спазване на някои специални правила (виж Динамо, Електрическо осветление).

Състав на галванични батерии.Батерията е съставена от елементи по три начина: 1) последователно свързване, 2) паралелно свързване, 3) комбинирано от двете предишни. На фиг. Таблица 1 показва последователно свързване на 3 Даниелови елемента: цинкът от първата двойка, броено отдясно, е свързан с медна лента към медта от втората двойка, цинкът от втората двойка към медта от третата. Свободният край на медта на първата двойка е анодът или положителният извод на батерията; свободният край на третата двойка е катодът или отрицателният извод на батерията. За паралелна връзкаот същите елементи, всички цинкове трябва да бъдат свързани помежду си с метални ленти и всички медни листове трябва да бъдат свързани с ленти или жици в едно цяло, отделно от цинка; сложната цинкова повърхност ще бъде катод, сложната медна повърхност ще бъде анод. Действието на такава батерия е същото като действието на една клетка, която би имала повърхност три пъти по-голяма от една клетка на батерията. И накрая, третият метод на свързване може да се приложи към поне 4 елемента. Свързвайки ги два паралелно, получаваме два сложни анода и същите два катода; Свързвайки първия сложен анод с втория сложен катод, получаваме батерия от два елемента с двойна повърхност. Майната му 3 текста изобразяват две различни комплексни съединения от 8 елемента, всеки представен от два концентрични пръстена, разделени от черни интервали. Без да навлизаме в подробности, отбелязваме, че на външен вид методът на съставяне на тези батерии се различава от току-що описаните.

В (I) 4 елемента са свързани последователно, но в единия край двата външни цинка са свързани с метална лента КК,а от противоположната страна двете външни медни плочи са свързани с плоча АА,който е анод, докато QC - катод на сложна батерия, еквивалентен на 4 елемента с двойна повърхност, свързани последователно. Чертеж 3 (II) показва батерия, еквивалентна на два елемента от четворна повърхност, свързани последователно. Случаите, когато са необходими батерии, съставени по определен начин, са напълно изяснени чрез формулата на Ом (галваничен ток), подчинени на произтичащото от нея правило, че за да се получи най-доброто действиеЗа всеки проводник с определен брой галванични клетки е необходимо да се конструира батерия от тях по такъв начин, че вътрешното му съпротивление да е равно на съпротивлението на външния проводник или поне възможно най-близо до него. Към това трябва да добавим също, че при последователно свързване вътрешното съпротивление нараства пропорционално на броя на свързаните двойки, а при паралелно свързване, напротив, съпротивлението намалява пропорционално на този брой. Следователно, на телеграфните линии, които имат голяма устойчивост на галваничен ток, батериите се състоят от елементи, свързани последователно; при хирургични операции (галванокаустика) е необходима батерия от паралелно свързани елементи. Изобразен в ада. 3 (I) батерия представлява най-добра връзкаот 8 елемента, които да действат върху външно съпротивление, което е два пъти по-голямо от вътрешното съпротивление на един елемент. Ако външното съпротивление беше четири пъти по-малко, отколкото в първия случай, тогава батерията трябва да изглежда като ад. 3 (II). Това следва от изчисления по формулата на Ом. [За елементите и батериите вижте работата на Ниоде (в руския превод на Д. Голов - " Електрически елементи" 1891); с по-малко подробности: "Die galvanischen Batterien", Hauck, 1883. Статии в списание "Electricity", 1891 и 1892]

Сравнение на галванични клеткипомежду си. Бележки, свързани с това, бяха частично дадени в описанието на елементите. Качеството на галваничния елемент се измерва със силата на тока, който развива, и продължителността на неговото действие, а именно произведението на първото количество от другото. Ако приемем ампера като единица за ток (вижте Галваничен ток), а часа като единица време, тогава можем да измерим работата на галваничния елемент в амперчасове. Например батериите, в зависимост от размера, могат да осигурят от 40 до 90 амперчаса. За методите за измерване на извършената работа токов удар, еквивалентно на работата на т. нар. парен кон за един час - виж Работа, Енергия на електрически ток.