Вход на сайт

Зарегистрировавшись на сайте Вы сможете добавлять свои материалы






Гальванические элементы самодельные


Самодельный гальванический элемент для автономного питания

Самодельный гальванический элемент для автономного питания

Элемент Вольта

 

 

Для питания и зарядки портативной электроники в тех местах, где нет электросети можно успешно использовать на ряду с другими источниками электроэнергии и простейшие химические источники тока, гальванические элементы.

Их использование возможно на дачах при долгосрочном проживании при отсутствии электросети,а также в отдалённых деревнях где или нет совсем электроэнергии, или постоянные перебои с электроснабжением. В советской России химические источники тока или гальванические элементы получили широкое распространение в радиолюбительской технике в середине прошлого столетия, так как эти источники просты в изготовлении и изготовляются из легкодоступных материалов.

Сейчас, когда портативная электроника стала

.

5. Электрохимические ячейки - Химия LibreTexts

Перед разработкой аналитических методов, основанных на электрохимии, стоит изучить аспекты, связанные с электрохимическими ячейками. Концепции, необходимые для понимания природы электрохимической ячейки, информативны для понимания некоторых аналитических методов, которые мы разработаем. С более практической точки зрения, батареи представляют собой примеры электрохимических элементов.

Опишите, что вы знаете об электрохимической ячейке.

Компоненты электрохимической ячейки показаны на рисунке 7.o = 0,337 \: V} \]

Основываясь на двух значениях E o , ион меди будет восстановлен, а металлический цинк будет окислен. В электрохимической ячейке полуреакция восстановления называется катодом, а полуреакция окисления - анодом. По соглашению на схеме анод всегда помещается слева, а катод - справа.

Цинковый полуэлемент состоит из куска металлического цинка в растворе, содержащем ион цинка. Медная полуячейка состоит из куска металлической меди в растворе, содержащем ион меди.Если в ходе полуреакции не образуются твердые металлические частицы (например, Fe 3+ + e - = Fe 2+ ), в ячейке используется инертный металл, такой как платина.

Две полуэлементы должны быть соединены, чтобы завершить электрическую схему и позволить реакции продолжаться. Для полной цепи необходимы два соединения. Один из них - металлический провод, соединяющий два куска металла. Другой - это нечто, известное как соляной мостик, который соединяет два решения.

Какие процессы ответственны за проведение электричества в электрохимической ячейке?

Процессы, ответственные за протекание тока в электрохимической ячейке, зависят от того, в какой части ячейки вы находитесь.Для металлических компонентов (цинк, медь, медный соединительный провод) электроны несут ответственность за протекание тока. В растворе проводимость электричества вызывается миграцией ионов.

Способность ионов проводить электричество - причина, по которой никому не следует пользоваться феном, сидя в ванной, полной воды. Если в воду уронить фен, вода будет проводить электричество из-за содержащихся в ней ионов, что приведет к поражению человека электрическим током. Электропроводность - это мера способности раствора проводить электричество.Электропроводность раствора напрямую коррелирует с ионной силой раствора. Во многих научных зданиях есть устройства, предназначенные для производства воды высокой степени очистки. Одна из целей этих систем очистки - деионизировать воду. В этих системах измеряется проводимость, чтобы определить степень деионизации воды (показания указываются как сопротивление, и чем выше сопротивление, тем менее проводящий раствор).

Также важно учитывать части ячейки, где металл соприкасается с раствором.В катоде, где происходит восстановление, электроны должны «прыгать» с металла на частицы в растворе. В аноде ячейки, представленной на рисунке 7, атомы цинка должны отдать два электрона, и ион цинка попадает в раствор. Для анодного полуэлемента с двумя водорастворимыми компонентами (например, Fe 2+ = Fe 3+ + e -) электрон должен «перепрыгнуть» с вещества в растворе на платиновый электрод. .

Для чего нужен соляной мостик?

Чтобы понять назначение солевого мостика, необходимо рассмотреть процесс, происходящий в каждой из полуячеек на Рисунке 7.Если бы каждая полуячейка запускалась при стандартных условиях состояния, катод начинался бы с концентрации 1 M соли меди, такой как сульфат меди ([Cu 2+ ] = 1 M; [SO 4 2- ] = 1 M), а на аноде будет соль цинка, такая как сульфат цинка ([Zn 2+ ] = 1 M; [SO 4 2- ] = 1 M). Обратите внимание, что в обеих полуячейках сульфат-ион является ионом-наблюдателем, который не участвует и не изменяется в электрохимической реакции. По мере протекания электрохимической реакции Cu 2+ в катоде восстанавливается и выпадает в виде металлической меди.В другой половине - металлический цинк окисляется с образованием Zn 2+ . Без какого-либо вмешательства это означает, что со временем [Cu 2+ ] <[SO 4 2- ] в катоде и [Zn 2+ ]> [SO 4 2- ] в аноде. Накопление заряда в обеих половинных ячейках является нежелательной ситуацией, потому что природа хочет поддерживать нейтральные системы. Если этот заряд будет продолжать накапливаться, он будет тормозить электрохимическую реакцию и не дать ей развернуться в полной мере.Назначение солевого мостика - действовать как источник ионов-наблюдателей, которые могут мигрировать в каждую из полуячеек для сохранения нейтральности. Любое накопление заряда в растворах двух полуячеек известно как потенциал перехода . Следовательно, цель солевого мостика состоит в том, чтобы уменьшить потенциал перехода между границей раздела раствора двух полуячеек.

Что бы вы поместили в соляной мост?

Во-первых, важно поместить в солевой мостик ионные частицы, которые не будут восстанавливаться или окисляться ни в одной из полуячеек.Катионы щелочных металлов и анионы галогенидов были бы идеальными для этой цели. Также важно, чтобы баланс заряда в каждой из полуячеек, обеспечиваемый ионами в солевом мостике, происходил с одинаковой скоростью. Это означает, что галогенидные анионы, перемещающиеся из солевого мостика в анод, чтобы уравновесить избыток ионов Zn 2+ , делают это с той же скоростью, что и щелочные катионы, перемещающиеся из солевого мостика в катод, чтобы уравновесить истощение Cu. 2+ иона. Ионы обладают свойством, известным как подвижность , и подвижность иона зависит от его размера.Ионы меньшего размера обладают большей подвижностью, чем ионы большего размера. Это означает, что идеальные частицы для солевого мостика должны иметь катион и анион одинакового размера и заряда. Хлорид калия является идеальным веществом для включения в солевой мостик, поскольку K + и Cl - имеют одинаковое количество электронов и примерно одинакового размера. Нитрат калия (K + NO 3 - ) также можно использовать в солевом мостике. Удивительно, но нитрат-ион, который имеет атомы с электронами второй оболочки, имеет примерно такой же размер, что и ион хлорида, у которого есть атомы с электронами третьей оболочки.

Еще одна вещь, которую следует учитывать, - это концентрация KCl в солевом мостике. Желательно иметь солевой мостик, который может исключить возможность накопления большого заряда. Чтобы достичь этого и не истощать ионы в солевом мостике в ходе реакции, KCl обычно находится в высокой концентрации, обычно 4 М.

Опишите два типа ситуаций, которые могут привести к необратимости электрохимического процесса.

Интересным аспектом электрохимической ячейки является то, что она может работать в двух направлениях.Если электрическая схема завершена, и реакция идет в своем спонтанном направлении к равновесию, это упоминается как гальванический элемент или гальванический элемент . В этом случае из ячейки проходит ток, который может использоваться для выполнения какой-либо работы (например, зажечь лампочку в фонарике или управлять мобильным телефоном). В какой-то момент элемент или батарея «умрут», поскольку реакция достигнет равновесия, и из них больше нельзя будет брать ток. В следующий раз, когда ваш автомобильный аккумулятор разрядится, вы можете почувствовать себя лучше, вспомнив, что он только что достиг равновесия.

Если ячейка вместо этого подключена к внешнему источнику энергии (например, подключена к розетке), реакция может быть вызвана ее обратным направлением в сторону от равновесия. Вот что происходит, когда аккумулятор заряжается. Аккумуляторные батареи требуют использования обратимой реакции. Электролитическая ячейка , принудительно перемещаемая в несамопроизвольном направлении, называется электролитической ячейкой .

Есть две ситуации, которые влияют на обратимость реакций, используемых в электрохимических ячейках.Один связан с химической обратимостью, которая связана со стабильностью реагентов и продуктов. Другой связан с электрохимической обратимостью, которая включает кинетику переноса электронов и относится к способности регенерировать или перезаряжать ячейку до ее начальных условий.

Одно распространенное заблуждение состоит в том, что электрохимическая реакция, в результате которой образуется газ, такая как восстановление иона водорода до газообразного водорода, является химически необратимой, поскольку газ улетучивается.

\ [\ mathrm {2H ^ + (вод) + 2e ^ - \ rightarrow H_2 (g)} \]

Однако, если ячейка спроектирована должным образом и герметично, газ может быть захвачен, и изменение потенциала посредством использования внешнего источника энергии может вызвать реакцию в обратном направлении.Следовательно, электрохимические реакции, приводящие к образованию газа, не обязательно являются химически необратимыми.

Пример электрохимического процесса, который является химически необратимым, происходит, если продукт быстро разлагается на что-то еще. В этом случае, когда для обращения процесса применяется внешний источник энергии, соответствующие частицы больше не находятся в растворе. В приведенном ниже примере, если разновидность A - быстро разлагается до B - и C, не остается A - для химической регенерации A.- + C} \]

Второй пример необратимой электрохимической реакции происходит, когда есть что-то, известное как перенапряжение или перенапряжение . Поскольку электроны должны переходить от одного вида к другому в электрохимической реакции, необходимо учитывать кинетику переноса электрона. В случае медленной кинетики возможна электрохимически необратимая реакция.

Если мы рассмотрим приведенное выше восстановление H + до газообразного водорода, есть ключевой этап, на котором электрон должен «прыгнуть» с электрода на ион водорода в растворе.При некоторых электрохимических реакциях у электрона возникает сопротивление прыжку. Если бы кто-то применил потенциал, который в теории был бы достаточно большим, чтобы электроны завершили прыжок, этого все равно не произошло бы. Электрон можно заставить «прыгнуть», приложив к электроду более высокое напряжение - перенапряжение (электроны с более высокой энергией помещаются на электрод до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой электрону станет благоприятно покинуть электрод и перейти к ион в растворе).Вы, вероятно, знакомы с концепцией энергий активации химических реакций. Возникновение перенапряжения указывает на наличие барьера энергии активации для электрохимической реакции.

Наличие перенапряжения в той или иной половине реакции частично определяется природой материала электрода. Восстановление иона водорода до газообразного водорода почти не имеет перенапряжения с платиновым электродом, но имеет очень высокое перенапряжение с ртутью и многими другими электродами.o = 1,229 \: V} \]

Устройство, которое электрохимически объединяет водород и газообразный кислород и использует перенос электронов в качестве источника электричества, известно как топливный элемент . Один из примеров использования этой технологии в качестве источника электроэнергии - на борту Международной космической станции.

Если учесть обратную реакцию, показанную ниже, то с помощью внешнего источника энергии можно будет электрохимически преобразовать воду в водород и газообразный кислород.

\ [\ mathrm {2H_2O = 2H_2 (г) + O_2 (г)} \]

Интересный аспект электролитического расщепления воды на водород и газообразный кислород состоит в том, что водород является полезным топливом для топливных элементов или путем сгорания. Если бы кто-то был в состоянии осуществить эту реакцию экономически, это означало бы, что наше топливо будет поступать из воды, тем самым обеспечивая безграничный источник топлива. Кроме того, поскольку реакцию лучше всего проводить в условиях с относительно высокой ионной силой, ее можно проводить с использованием океанской воды.

Есть две проблемы с экономичным проведением электролитического расщепления воды. Во-первых, для этого требуется энергия, поскольку это противоположное спонтанному направлению. Из-за потери эффективности при сжигании водорода для разделения воды потребуется больше энергии, чем вы получите взамен, используя водород в качестве топлива. Вторая проблема заключается в том, что обе половинные реакции имеют перенапряжение с множеством разных электродов, что означает, что проведение реакции будет стоить еще дороже.

Активной областью исследований является попытка разработать электроды, обладающие двумя особенностями. Во-первых, они сделаны из материалов, которые не имеют высоких перенапряжений по отношению к двум соответствующим половинным реакциям (обратите внимание, что необходимы два разных электрода: один для половинной реакции с водородом, а другой для полуреакции с кислородом). Вторая особенность - это система, в которой солнечный свет может использоваться в качестве источника энергии, чтобы способствовать реакции расщепления. В двух электродах энергия солнца будет использоваться для продвижения электрона на электроде на более высокую молекулярную орбиталь.С этой дополнительной энергией электрону было бы намного легче передать его частицам в растворе, а затем гораздо дешевле разделить воду. Многие из электродов, исследуемых в этой заявке, представляют собой комплексы переходных металлов, и, хотя были достигнуты некоторые успехи, также важно, чтобы электрод был достаточно недорогим, чтобы сделать весь процесс рентабельным. Никто еще не нашел электродов с достаточно низким перенапряжением и способностью использовать энергию солнца для облегчения реакций экономически эффективным способом.

Сокращенное обозначение электрохимической ячейки

Существует сокращенное обозначение, используемое для определения условий электрохимической ячейки. Обозначения показывают анод слева и катод справа. Включены концентрации важных веществ в каждой из полуреакций. Ионы-наблюдатели в обозначения не включаются. Фазовые границы показаны одинарной линией (|), а солевой мостик - двойной линией (||). Описанная выше электрохимическая ячейка будет иметь следующие обозначения:

\ [\ ce {Zn \: | \: Zn ^ 2 + (1 \: M) \: || \: Cu ^ 2 + (1 \: M) \: | \: Cu} \]

.

Электрохимические элементы

Устройство, которое использует химическую реакцию для производства или использования электричества, является электрохимический элемент , также известный как гальванический элемент. Поскольку жидкое состояние позволяет реакциям протекать быстрее, чем в твердых телах или газах, большинство электрохимических ячеек построено с использованием жидкости, называемой электролит , раствор, содержащий ионы и проводящий электричество. Это слово уже упоминалось ранее в отношении ионной диссоциации.Чистая дистиллированная вода - очень плохой проводник электричества, но высокая концентрация растворенных ионов приводит к высокой проводимости. Вот почему кислоты, основания и соли, которые ионизируются в высокой степени, называют сильными электролитами, а те, которые ионизируются незначительно, - слабыми электролитами.

Простая электрохимическая ячейка может быть изготовлена ​​из двух пробирок, соединенных с третьей пробиркой (крестовина буквы «Н»), как показано на рисунке 1. Полый прибор заполняется путем одновременного наливания различных растворов в две пробирки. водный раствор сульфата цинка в левую трубку и раствор сульфата меди (II) в правую.Затем полоску металлического цинка погружают в раствор ZnSO 4 ; в раствор CuSO 4 вставляется кусок меди; а два конца металлических полосок подключены проводами к вольтметру. Боковая соединительная трубка обеспечивает ионную миграцию, необходимую для замкнутой электрической цепи. Вольтметр покажет электрический потенциал 1,10 вольт, что приводит к движению электронов в проводе от цинкового электрода к медному электроду.

Электрический ток вызывается парой окислительно-восстановительных реакций. На цинковом электроде металлический цинк медленно ионизируется в результате реакции окисления:

Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом ; он сильно притягивает отрицательные ионы в растворе, и поэтому такие ионы называются анионами .

Одновременно реакция восстановления на медном катоде вызывает осаждение катионов Cu 2+ на электрод в виде металлической меди:

Поскольку отрицательно заряженные электроны текут от анода к катоду, анод становится положительным электродом.Следовательно, катод является отрицательным электродом.

Рисунок 1. Гальванический элемент.

Суммирование реакций на двух электродах дает

, который представляет собой общую окислительно-восстановительную реакцию в цинк-медном элементе.

.

условных обозначений электрохимических ячеек - Chemistry LibreTexts

Использование химических реакций для производства электричества в настоящее время является приоритетом для многих исследователей. Возможность адекватно использовать химические реакции в качестве источника энергии очень поможет решить наши проблемы с загрязнением окружающей среды. В этом разделе электрохимии мы узнаем, как использовать химические реакции для производства этого чистого электричества и даже использовать электричество для генерации химических реакций. Чтобы вызвать поток электрических зарядов, мы помещаем полоску металла (электрод) в раствор, содержащий тот же металл, который находится в водном состоянии.Комбинация электрода и его раствора называется полуэлементом . Внутри полуячейки ионы металлов из раствора могут получать электроны от электрода и становиться атомами металлов; или атомы металлов от электрода могут терять электроны и становиться ионами металлов в растворе.

Введение

Мы используем две разные полуячейки, чтобы измерить, насколько легко электроны могут переходить от одного электрода к другому, и устройство, используемое для измерения, называется вольтметром.Вольтметр измеряет потенциал ячейки, обозначенный E cell , (в вольтах, 1 В = 1 Дж / Кл), который представляет собой разность потенциалов между двумя половинными ячейками. Солевой мостик позволяет ионам перемещаться из одной полуячейки в другую, но предотвращает поток растворов.

Как показано на схеме, анод - это электрод, на котором происходит окисление; Cu теряет два электрона с образованием Cu +2 . Катод - это электрод, на котором происходит восстановление; Ag + (водный) приобретает электрон, чтобы стать Ag (s).В качестве удобной замены рисунка мы используем схему ячейки , чтобы показать части электрохимической ячейки. Например, приведенная выше диаграмма ячеек:

Zn (ов) | Zn 2 + (водн.) || Cu 2 + (водн.) | Cu (т)

окисление- (полуэлемент) (солевой мостик) (полуэлемент) -восстановление

Там, где мы размещаем анод слева и катод справа, "|" представляет собой границу между двумя фазами, а «||» представляет собой солевой мостик.Электрохимические ячейки бывают двух типов:

Гальванический элемент (также известный как гальванический элемент) вызывает спонтанную окислительно-восстановительную реакцию для создания потока электрических зарядов или электричества. Неперезаряжаемые батареи являются примерами гальванических элементов.

  • A Реакция является спонтанной, когда изменение энергии Гибба ∆G <0.
  • Электроны текут от анода (отрицательно, поскольку здесь накапливаются электроны) к катоду (положительно, поскольку он набирает электроны).

Электролитическая ячейка - это один из видов батарей, для которых требуется внешний источник электричества для запуска неспонтанной окислительно-восстановительной реакции. При перезарядке аккумуляторные батареи действуют как электролитические элементы.

  • Реакция не является спонтанной, если ∆G> 0.
  • Должен подавать электроны на катод, чтобы вызвать восстановление, поэтому катод отрицательный.
  • Должен удалить электроны с анода, чтобы вызвать окисление, поэтому анод положительный.

Гальванические и электролитические ячейки содержат:

  • Два электрода: анод и катод (ПРИМЕЧАНИЕ: катод не означает +, а анод не означает -)
  • Вольтметр: измеряет электрический ток. В гальванических элементах это показывает, какой ток вырабатывается; в электролитических ячейках это показывает, какой ток заряжает систему.
  • Электролит
    • проводящая среда
    • имеет контакт с электродами
    • обычно в водном растворе ионных соединений
  • Соляной мост
    • соединяет две половины электрохимической ячейки
    • залит солевым раствором или гелем
    • сохраняет решение отдельно
    • Замыкает цепь

Базовая терминология

  • В электрохимических ячейках используется обширная терминология.Вот краткое определение некоторых наиболее распространенных терминов:
  • Напряжение - разность потенциалов между двумя полуячейками, а также количество энергии, которое вызывает реакцию. Напряжение - это интенсивное свойство (величина напряжения имеет значение).
  • Ток - поток электрических зарядов (в единицах электронов в секунду). Это обширная собственность (значение тока имеет значение). ПРИМЕЧАНИЕ. Высокое напряжение не означает большой ток.
  • Primary Battery - неперезаряжаемые батареи.AA, AAA и т. Д.
  • Secondary Battery - Аккумуляторные батареи. Литиевые, батарейки для сотовых телефонов и т. Д.
  • Tertiary Battery - Топливные элементы. Хотя они не всегда рассматриваются как батареи, они часто требуют постоянного потока реагентов.

Гальванический элемент (он же гальванический элемент)

Zn (ов) | Zn 2 + (водн.) || Cu 2 + (водн.) | Cu (т)

Гальванический элемент вырабатывает электро

.

Смотрите также