Гальванический элемент

Гальванический элемент без катионного потока

Гальванический элемент или гальванический элемент , названный в честь ученых Гальвани и Алессандро Вольта , соответственно, представляет собой гальванический элемент , в котором электрический ток генерируется из спонтанных окислительно - восстановительных реакций. Обычное устройство обычно состоит из двух разных металлов, каждый из которых погружен в отдельные стаканы, содержащие соответствующие ионы металлов в растворе, которые соединены солевым мостиком (или разделены пористой мембраной). ^[1]

Вольта был изобретателем гальванической батареи , первой электрической батареи . В обычном использовании слово «батарея» стало включать в себя один гальванический элемент, но батарея должным образом состоит из нескольких элементов. ^[2]

История [ править ]

В 1780 году Луиджи Гальвани обнаружил, что, когда два разных металла (например, медь и цинк) находятся в контакте, а затем оба одновременно касаются двух разных частей мускула лягушачьей ноги, чтобы замкнуть цепь, лягушачья нога контракты. ^[3] Он назвал это « животным электричеством ». Нога лягушки, будучи датчиком электрического тока, была еще и электролитом (выражаясь языком современной химии).

Через год после того, как Гальвани опубликовал свою работу (1790), Алессандро Вольта показал, что лягушка не нужна, вместо этого использовал силовой детектор и пропитанную рассолом бумагу (в качестве электролита). (Ранее Вольта установил закон емкости C =Q/Vс силовыми детекторами). В 1799 году Вольта изобрел гальваническую батарею, которая представляет собой группу гальванических элементов, каждая из которых состоит из металлического диска, слоя электролита и диска из другого металла. Он построил его полностью из небиологического материала, чтобы бросить вызов теории электричества животных Гальвани (а позже экспериментатор Леопольдо Нобили ) в пользу своей собственной теории контактного электричества металл-металл. ^[4] Карло Маттеуччи, в свою очередь, сконструировал батарею полностью из биологического материала в ответ на Вольта. ^[5] Взгляд Вольта на контактное электричество характеризовал каждый электрод числом, которое мы теперь назвали бы работой выхода электрода. Эта точка зрения игнорировала химические реакции на границах раздела электрод-электролит, которые включают образование H ₂ на более благородном металле в куче Вольта.

Хотя Вольта не понимал принцип работы батареи или гальванического элемента, эти открытия проложили путь для электрических батарей; Ячейка Вольта была названа вехой IEEE в 1999 г. ^[6]

Примерно сорок лет спустя Фарадей (см . Законы электролиза Фарадея ) показал, что гальванический элемент, который сейчас часто называют гальваническим элементом, был химическим по своей природе. Фарадей ввел в язык химии новую терминологию: электрод ( катод и анод ), электролит и ион ( катион и анион).). Таким образом, Гальвани ошибочно полагал, что источник электричества (или источник ЭДС, или место расположения ЭДС) находится в животном, Вольта ошибочно полагал, что это было в физических свойствах изолированных электродов, но Фарадей правильно определил источник ЭДС как химические реакции. на двух поверхностях раздела электрод-электролит. Авторитетная работа по интеллектуальной истории гальванической ячейки остается работой Оствальда. ^[7]

В 1940 году Вильгельм Кениг высказал предположение, что объект, известный как багдадская батарея, может представлять технологию гальванических элементов из древней Парфии . Было показано, что реплики, наполненные лимонной кислотой или виноградным соком, производят напряжение. Однако нет уверенности в том, что это было его предназначение - другие ученые отмечали, что он очень похож на сосуды, которые, как известно, использовались для хранения пергаментных свитков. ^[8]

Основное описание [ править ]

Во-первых, важно понять, как гальванические элементы являются продолжением спонтанных окислительно-восстановительных реакций, но были просто разработаны, чтобы использовать энергию, произведенную в результате указанной реакции. ^[1] Например, если погрузить полоску металлического цинка (Zn) в водный раствор сульфата меди (CuSO ₄ ), темные твердые отложения будут собираться на поверхности металлического цинка, а синий цвет будет характерен для Ион Cu ²⁺ исчезает из раствора. Отложения на поверхности металлического цинка состоят из металлической меди, а раствор теперь содержит ионы цинка. Эта реакция представлена:

Zn (s) + Cu ²⁺ (водн.) → Zn ²⁺ (водн.) + Cu (s)

В этой окислительно-восстановительной реакции Zn окисляется до Zn ^2+, а Cu ²⁺ восстанавливается до Cu. Когда электроны передаются непосредственно от Zn к Cu ²⁺ , энтальпия реакции теряется в окружающую среду в виде тепла. Однако ту же реакцию можно провести в гальваническом элементе, позволяя преобразовать часть выделяющейся химической энергии в электрическую. В простейшей форме полуячейка состоит из твердого металла (называемого электродом ), погруженного в раствор; раствор содержит катионы (+) электродного металла и анионы (-), чтобы сбалансировать заряд катионов. ^[9] Полная ячейка состоит из двух полуячеек, обычно соединенныхполупроницаемой мембраной или солевым мостиком, который предотвращает осаждение ионов более благородного металла на другом электроде. ^[9]

Конкретным примером является ячейка Даниэля (см. Рисунок) с полуячейкой из цинка (Zn), содержащей раствор ZnSO ₄ (сульфат цинка), и полуячейкой из меди (Cu), содержащей раствор CuSO ₄ (сульфат меди). . Здесь используется соляной мостик, замыкающий электрическую цепь.

Если внешний электрический проводник соединяет медный и цинковый электроды, цинк из цинкового электрода растворяется в растворе в виде ионов Zn ²⁺ (окисление), высвобождая электроны, попадающие во внешний проводник. Чтобы компенсировать повышенную концентрацию ионов цинка, через солевой мостик ионы цинка уходят, а анионы попадают в цинковую полуячейку. В медной полуячейке ионы меди прикрепляются к медному электроду (восстановление), захватывая электроны, покидающие внешний проводник. Поскольку ионы (катионы) Cu ²⁺ накладываются на медный электрод, последний называется катодом . Соответственно цинковый электрод является анодом . Электрохимическая реакция:

${\ Displaystyle {\ ce {Zn (s) + Cu ^ {2 +} (водный раствор) = Zn ^ {2 +} (водный раствор) + Cu (s)}}}$

Это та же реакция, что и в предыдущем примере. Кроме того, электроны проходят через внешний проводник, который является основным назначением гальванического элемента.

Как обсуждалось в разделе « Напряжение элемента» , электродвижущая сила элемента - это разность потенциалов полуячейки, мера относительной легкости растворения двух электродов в электролите. ЭДС зависит как от электродов, так и от электролита, что указывает на химическую природу ЭДС.

Электрохимическая термодинамика реакций гальванических элементов [ править ]

Электрохимические процессы в гальванической ячейке происходят из-за того, что реагенты с высокой свободной энергией (например, металлический Zn и гидратированный Cu ²⁺ в ячейке Даниэля) преобразуются в продукты с меньшей энергией ( в данном примере металлическая Cu и гидратированный Zn ²⁺ ). Разница в энергиях когезии решетки ^[10] электродных металлов иногда является доминирующим энергетическим драйвером реакции, особенно в ячейке Даниелла. ^[11] Металлические Zn, Cd, Li и Na, которые не стабилизируются d-орбитальной связью, имеют более высокие энергии когезии (т. Е. Они более слабо связаны), чем все переходные металлы , включая Cu, и поэтому полезны как высокоактивные. энергетические анодные металлы. ^[11]

Разница между энергиями ионизации металлов в воде ^[11] является другим энергетическим вкладом, который может запускать реакцию в гальваническом элементе; это не важно в ячейке Даниэля, потому что энергии гидратированных ионов Cu ²⁺ и Zn ²⁺ оказываются одинаковыми. ^[11] Как перенос атомов, например цинка от металлического электрода в раствор, так и перенос электронов от атомов металла или к ионам металлов, играют важную роль в гальваническом элементе. Концентрационные ячейки , электроды и ионы которых сделаны из одного и того же металла и которые приводятся в действие за счет увеличения энтропии и уменьшения свободной энергии по мере выравнивания концентраций ионов, показывают, что электроотрицательность различие металлов не является движущей силой электрохимических процессов.

Гальванические элементы и батареи обычно используются в качестве источника электроэнергии. Энергию получают от растворения металла с высокой энергией когезии при осаждении металла с более низкой энергией и / или от осаждения ионов металла с высокой энергией, в то время как ионы с более низкой энергией переходят в раствор.

Количественно электрическая энергия, производимая гальваническим элементом, приблизительно равна стандартной разности свободной энергии реагентов и продуктов, обозначенной как Δ _r G ^o . В ячейке Даниэля большую часть электрической энергии Δ _r G ^o = -213 кДж / моль можно отнести к разнице в -207 кДж / моль между энергиями когезии решеток Zn и Cu. ^[11]

Половина реакции и условности [ править ]

Полуячейка содержит металл в двух степенях окисления . Внутри изолированной полуячейки происходит окислительно-восстановительная (окислительно-восстановительная) реакция, которая находится в химическом равновесии , состояние, которое символически записывается следующим образом (здесь "M" представляет катион металла, атом, который имеет дисбаланс заряда из-за потеря " n " электронов):

M ^{n +} (окисленные частицы) + n e ^- ⇌ M (восстановленные частицы)

Гальванический элемент состоит из двух полуэлементов, так что электрод одного полуэлемента состоит из металла A, а электрод другого полуэлемента состоит из металла B; Таким образом, окислительно-восстановительные реакции для двух отдельных полуэлементов следующие:

А ^{п +} + п е ^- ⇌ А

B ^{m +} + m e ^- ⇌ B

Общая сбалансированная реакция

m A + n B ^{m +} ⇌ n B + m A ^{n +}

Другими словами, атомы металла одной полуячейки окисляются, а катионы металлов другой полуячейки восстанавливаются. Разделив металлы на две полуячейки, их реакцией можно управлять таким образом, чтобы заставить электроны переноситься через внешнюю цепь, где они могут выполнять полезную работу .

• Электроды соединены металлической проволокой, чтобы проводить электроны, участвующие в реакции.

В одной полуячейке растворенные катионы металла-B объединяются со свободными электронами, которые доступны на границе раздела между раствором и электродом металла-B; эти катионы тем самым нейтрализуются, вызывая их выпадение в осадок из раствора в виде отложений на металлическом электроде B, процесс, известный как покрытие .

Эта реакция восстановления заставляет свободные электроны по всему электроду металла-B, проволоке и электроду металла-A втягиваться в электрод металла-B. Следовательно, электроны отталкиваются от некоторых атомов электрода металла-A, как если бы катионы металла-B вступали в реакцию непосредственно с ними; эти атомы металла-A становятся катионами, которые растворяются в окружающем растворе.

По мере продолжения этой реакции в полуячейке с электродом металла-A образуется положительно заряженный раствор (потому что в нем растворяются катионы металла-A), в то время как в другой полуячейке образуется отрицательно заряженный раствор (поскольку катионы металла-B выпадать из него в осадок, оставляя после себя анионы); неослабевая, этот дисбаланс в ответственности остановит реакцию. Растворы полуэлементов соединены солевым мостиком или пористой пластиной, которая позволяет ионам переходить от одного раствора к другому, что уравновешивает заряды растворов и позволяет реакции продолжаться.

По определению:

• Анод представляет собой электрод , в котором окисление (потеря электронов) имеет место (металл-электрод); в гальваническом элементе это отрицательный электрод, потому что при окислении электроны остаются на электроде. ^[12] Эти электроны затем проходят через внешнюю цепь к катоду (положительный электрод) (в то время как при электролизе электрический ток движет поток электронов в противоположном направлении, а анод является положительным электродом).
• Катодом является электрод , где уменьшение (прирост электронов) имеет место (металл-B электрод); в гальваническом элементе это положительный электрод, так как ионы восстанавливаются, забирая электроны с электрода и снимая пластину (в то время как при электролизе катод является отрицательной клеммой и притягивает положительные ионы из раствора). В обоих случаях оператор « кот hode привлекает кошек ионов» истинно.

Гальванические элементы по своей природе вырабатывают постоянный ток . Клетка Уэстон имеет анод , состоящий из кадмия , ртути амальгамы , и катод , состоящий из чистой ртути. Электролит представляет собой (насыщенный) раствор сульфата кадмия . Деполяризатор представляет собой пасту из сульфата ртути. Когда раствор электролита насыщен, напряжение ячейки очень воспроизводимо; следовательно, в 1911 году он был принят в качестве международного стандарта для напряжения.

Батарея - это набор гальванических элементов, которые соединены вместе и образуют единый источник напряжения. Например, типичная свинцово-кислотная батарея на 12 В имеет шесть гальванических элементов, соединенных последовательно с анодами, состоящими из свинца, и катодами, состоящими из диоксида свинца, оба погружены в серную кислоту. В больших аккумуляторных , например, в телефонной станции, обеспечивающей питание телефонов пользователей центрального офиса, ячейки могут быть подключены как последовательно, так и параллельно.

Напряжение ячейки [ править ]

Напряжение ( электродвижущая сила E ^o ), создаваемое гальваническим элементом, можно оценить по стандартному изменению свободной энергии Гиббса в электрохимической реакции в соответствии с

${\ displaystyle E _ {\ text {cell}} ^ {o} = - \ Delta _ {r} G ^ {o} / (\ nu _ {e} F)}$

где ν _e - число электронов, перенесенных в уравновешенных полуреакциях, а F - постоянная Фарадея . Однако его можно определить более удобно, используя стандартную таблицу потенциалов для двух задействованных половинных ячеек . Первый шаг - идентифицировать два металла и их ионы, реагирующие в клетке. Потом один смотрит на стандартный электродный потенциал , E ^O , в вольтах , для каждой из двух полуреакций . Стандартный потенциал ячейки равен более положительному значению E ^o минус более отрицательное значение E ^o. ценить.

Например, на рисунке выше решений являются CuSO ₄ и ZnSO ₄ . В каждом растворе есть соответствующая металлическая полоска и солевой мостик или пористый диск, соединяющий два раствора и позволяющий SO^2-
₄ионы свободно перемещаются между растворами меди и цинка. Чтобы вычислить стандартный потенциал, ищем полуреакции меди и цинка и находят:

Cu ²⁺ + 2
е^-
⇌ Cu E ^o = +0,34 В 

Zn ²⁺ + 2
е^-
⇌ Zn E ^o = −0,76 В 

Таким образом, общая реакция такова:

Cu ²⁺ + Zn ⇌ Cu + Zn ²⁺

Стандартный потенциал для реакции равен +0,34 В - (-0,76 В) = 1,10 В. Полярность ячейки определяется следующим образом. Металлический цинк восстанавливает сильнее, чем металлическая медь, потому что стандартный (восстановительный) потенциал цинка более отрицательный, чем у меди. Таким образом, металлический цинк теряет электроны на ионы меди и развивает положительный электрический заряд. Константа равновесия , К , для ячейки задается

${\ displaystyle \ ln K = {\ frac {\ nu _ {e} FE _ {\ text {cell}} ^ {o}} {RT}}}$

где F - постоянная Фарадея , R - газовая постоянная, а T - температура в градусах Кельвина . Для ячейки Даниэля K примерно равно1,5 × 10 ³⁷ . Таким образом, в состоянии равновесия переносится несколько электронов, которых достаточно, чтобы зарядить электроды. ^[13]

Фактические потенциалы полуэлементов должны быть рассчитаны с использованием уравнения Нернста, поскольку растворенные вещества вряд ли будут в своих стандартных состояниях.

${\ displaystyle E _ {\ text {half-cell}} = E ^ {o} - {\ frac {RT} {\ nu _ {e} F}} \ ln _ {e} Q}$

где Q - коэффициент реакции . Когда заряды ионов в реакции равны, это упрощается до

${\displaystyle E_{\text{half-cell}}=E^{o}-2.303{\frac {RT}{\nu _{e}F}}\log _{10}\left\{{\text{M}}^{n+}\right\}}$

где {M ^{n +} } - активность иона металла в растворе. На практике вместо активности используется концентрация в моль / л. Металлический электрод находится в стандартном состоянии, поэтому по определению имеет единичную активность. Потенциал всей клетки получается как разность потенциалов двух полуэлементов, поэтому он зависит от концентраций обоих растворенных ионов металла. Если концентрации одинаковы, и уравнение Нернста не требуется в условиях, предполагаемых здесь.${\displaystyle E_{\text{cell}}=E_{\text{cell}}^{o}}$

Стоимость 2.303р/F является 1,9845 × 10 ^-4  В / К , поэтому при 25 ° C (298,15 К) потенциал полуячейки изменится всего на 0,05918 В / ν _e, если концентрация иона металла увеличится или уменьшится в 10 раз.

${\displaystyle E_{\text{half-cell}}=E^{o}-{\frac {0.05918\ {\text{V}}}{\nu _{e}}}\log _{10}\left[{\text{M}}^{n+}\right]}$

Эти расчеты основаны на предположении, что все химические реакции находятся в равновесии. Когда в цепи протекает ток, условия равновесия не достигаются, и напряжение ячейки обычно снижается с помощью различных механизмов, таких как развитие перенапряжения . ^[14] Кроме того, поскольку химические реакции происходят, когда элемент вырабатывает электроэнергию, концентрация электролита изменяется, а напряжение элемента снижается. Следствием температурной зависимости стандартных потенциалов является то, что напряжение, создаваемое гальваническим элементом, также зависит от температуры.

Гальваническая коррозия [ править ]

Гальваническая коррозия - это электрохимическая эрозия металлов. Коррозия возникает, когда два разнородных металла контактируют друг с другом в присутствии электролита , такого как соленая вода. При этом образуется гальванический элемент с газообразным водородом, образующимся на более благородном (менее активном) металле. Результирующий электрохимический потенциал затем создает электрический ток, который электролитически растворяет менее благородный материал. Концентрацию клеток может быть сформирована , если тот же металл подвергается воздействию двух различных концентраций электролита.

Типы ячеек [ править ]

• Концентрационная ячейка
• Электролитическая ячейка
• Электрохимическая ячейка
• Лимонная батарея
• Термогальваническая ячейка

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Как построить гальваническую батарею от MiniScience.com
• Гальваническая ячейка , анимация
• Интерактивная анимация гальванической ячейки . Исследовательская группа химического образования, Государственный университет Айовы.
• Реакции переноса электрона и окислительно-восстановительные потенциалы в ячейках GALVANIc - что происходит с ионами на границе раздела фаз (NERNST, FARADAY) (видео SciFox на TIB AV-Portal)