Гальванический элемент

редактировать

Гальванический элемент без катионного потока

A гальванический элемент или гальванический элемент, названный в честь Луиджи Гальвани или Алессандро Вольта, соответственно, представляет собой электрохимическую ячейку, которая получает электрическую энергию от спонтанных окислительно-восстановительных реакций, происходящих внутри ячейки. Обычно он состоит из двух разных металлов, погруженных в электролиты, или из отдельных полуэлементов с разными металлами и их ионами в растворе, соединенных солевым мостиком или разделенных пористой мембраной.

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

Содержание

1 История
2 Основное описание
3 Электрохимическая термодинамика гальваники реакции в ячейках
4 Половинные реакции и условные обозначения
5 Напряжение элементов
6 Гальваническая коррозия
7 Типы элементов
8 См. также
9 Ссылки
10 Внешние ссылки

История

В 1780 году Луиджи Гальвани обнаружил, что когда два разных металла (например, медь и цинк) контактируют, а затем оба одновременно касаются двух разных частей мышцы лягушачья лапка, замкнув цепь, лягушачья лапа сокращается. Он назвал это «животным электричеством ». Нога лягушки, будучи детектором электрического тока, была еще и электролитом (выражаясь языком современной химии).

Через год после того, как Гальвани опубликовал свою работу (1790), Алессандро Вольта показал, что в лягушке нет необходимости, используя вместо этого силовой детектор и пропитанную рассолом бумагу (в качестве электролита). (Ранее Вольта установил закон емкости C = Q / V с помощью силовых детекторов). 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 животного электричества Гальвани (и более позднего экспериментатора Леопольдо Нобили ) в пользу своей собственной теории контактного электричества металл-металл. Карло Маттеуччи в свою очередь сконструировал батарею полностью из биологического материала в ответ Вольте. 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 H2 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 получила название IEEE Milestone в 1999 году.

Примерно сорок лет спустя Фарадей (см. законы электролиза Фарадея ) показал, что гальванический элемент - теперь часто называлась гальваническая ячейка - имела химическую природу. Фарадей ввел в язык химии новую терминологию: электрод (катод и анод ), электролит и ион <95.>(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.

Вильгельм Кениг в 1940 году предположил, 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, что это было его целью - другие ученые отмечали, что он очень похож на сосуды, которые, как известно, использовались для хранения пергаментных свитков.

Основное описание

Схема Zn- Гальванический элемент с медью

В своей простейшей форме полуэлемент состоит из твердого металла (называемого электродом ), который погружен в раствор; раствор содержит катионы (+) электродного металла и анионы (-) для балансировки заряда катионов. Полная ячейка состоит из двух полуячеек, обычно соединенных полупроницаемой мембраной или солевым мостиком, который предотвращает осаждение ионов более благородного металла на другом электрод.

Конкретным примером является ячейка Даниэля (см. Рисунок) с цинковой (Zn) полуячейкой, содержащей раствор ZnSO 4 (сульфат цинка) и медь (Cu) полуячейка, содержащая раствор CuSO 4 (сульфат меди). Здесь используется соляной мостик для замыкания электрической цепи.

Если внешний электрический проводник соединяет медный и цинковый электроды, цинк из цинкового электрода растворяется в растворе в виде ионов Zn (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 накладываются на медный электрод, последний называется катодом. Соответственно цинковый электрод является анодом. Электрохимическая реакция:

Zn + Cu → Zn + Cu

Кроме того, электроны проходят через внешний проводник, который является основным назначением гальванического элемента.

Как обсуждалось в разделе напряжение ячейки, электродвижущая сила ячейки представляет собой разность потенциалов полуячейки, меру относительной легкости растворения два электрода в электролит. ЭДС зависит как от электродов, так и от электролита, что указывает на химическую природу ЭДС.

Электрохимическая термодинамика реакций гальванического элемента

Электрохимические процессы в гальваническом элементе происходят из-за того, что реагенты с высокой свободной энергией (например, металлический Zn и гидратированная Cu в ячейке Даниэля) преобразуются в более низкоэнергетические продукты (металлическая Cu и гидратированный Zn в данном примере). Разница в энергиях когезии решетки электродных металлов иногда является доминирующим энергетическим драйвером реакции, особенно в ячейке Даниэля. Металлические Zn, Cd, Li и Na, которые не стабилизированы d-орбитальной связью, имеют более высокие энергии когезии (т.е. они более слабо связаны), чем все переходные металлы, включая Cu и поэтому полезны в качестве анодных металлов с высокой энергией.

Разница между энергиями ионизации металлов в воде является другим энергетическим вкладом, который может управлять реакцией в гальваническом элементе; это не важно в ячейке Даниэля, потому что энергии гидратированных ионов Cu и Zn близки. Оба атомных переноса, например цинка с металлического электрода в раствор и перенос электронов от атомов металла или к ионам металлов играют важную роль в гальваническом элементе. Концентрационные ячейки, электроды и ионы которых изготовлены из одного и того же металла и которые управляются увеличением энтропии и уменьшением свободной энергии по мере выравнивания концентраций ионов, показывают, что электроотрицательность разности металлы не являются 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, когда ионы с более низкой энергией переходят в раствор.

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

Половинные реакции и условные обозначения

Половина ячейки содержит металл в двух степенях окисления. Внутри изолированной полуячейки происходит окислительно-восстановительная (окислительно-восстановительная) реакция, которая находится в химическом равновесии, условием, обозначенном символически следующим образом (здесь "M" представляет металл катион, атом, который имеет дисбаланс заряда из-за потери «n» электронов):

M (окисленные частицы) + ne ⇌ M (восстановленные частицы)

Гальванический элемент состоит из двух полуэлементов, таких как что электрод одной полуячейки состоит из металла А, а электрод другой полуячейки состоит из металла В; Таким образом, окислительно-восстановительные реакции для двух отдельных полуэлементов следующие:

A + ne ⇌ A

B + me ⇌ B

Общая сбалансированная реакция

m A + n B ⇌ n B + m A

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 обеспечить перенос электронов через внешнюю цепь, где они могут выполнять полезную работу.

Электроды соединяются металлической проволокой в порядке для проведения электронов, участвующих 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 осаждение из раствора в виде отложений на электроде металла-B, процесс, известный как гальваника.

. Эта реакция восстановления вызывает образование свободных электронов в металле-B электрод, проволоку и электрод из металла-A, которые необходимо вставить в электрод из металла-B. Следовательно, электроны отталкиваются от некоторых атомов электрода металла-A, как если бы катионы металла-B реагировали с ними напрямую; эти атомы металла-A становятся катионами, которые растворяются в окружающем растворе.

По мере того, как эта реакция продолжается, полуячейка с электродом металла-A образует положительно заряженный раствор (потому что катионы металла-A растворяются в нем.), в то время как другая полуячейка образует отрицательно заряженный раствор (потому что катионы металла-B выпадают из него, оставляя анионы); неослабевая, этот дисбаланс в ответственности остановит реакцию. Растворы полуэлементов соединены солевым мостиком или пористой пластиной, которая позволяет ионам переходить из одного раствора в другой, что уравновешивает заряды растворов и позволяет реакции продолжаться.

По определению:

анод - это электрод, на котором происходит окисление (потеря электронов) (электрод из металла-A); в гальваническом элементе это отрицательный электрод, потому что при окислении электроны остаются на электроде. Эти электроны затем проходят через внешнюю цепь к катоду (положительному электроду) (во время электролиза электрический ток движет поток электронов в противоположном направлении, и анод является положительным электродом).
Катод - электрод, на котором происходит восстановление (усиление электронов) (электрод металл-B); 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 утверждение «cat hode привлекает cat ионы» верно.

Гальванические элементы по своей природе вырабатывают постоянный ток. Элемент Weston имеет анод, состоящий из кадмия ртути амальгамы, и катода, состоящего из чистой ртути. Электролит представляет собой (насыщенный) раствор сульфата кадмия. деполяризатор представляет собой пасту сульфата ртути. Когда раствор электролита насыщен, напряжение ячейки очень воспроизводимо; следовательно, в 1911 году он был принят как международный стандарт напряжения.

Батарея - это набор гальванических элементов, которые соединены вместе и образуют единый источник напряжения. Например, типичная свинцово-кислотная батарея 12 В имеет шесть гальванических ячеек, 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 элемента

Напряжение (электродвижущая сила E), создаваемое гальваническим элементом, можно оценить по стандартному изменению свободной энергии Гиббса в электрохимическая реакция согласно

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

где ν e - количество электронов, перенесенных в уравновешенных полуреакциях, а F - постоянная Фарадея. Однако его можно определить более удобно, используя стандартную таблицу потенциалов для двух задействованных полуячейек. Первый шаг - идентифицировать два металла и их ионы, взаимодействующие в клетке. Затем ищут стандартный электродный потенциал, E, в вольт для каждой из двух полуреакций. Стандартный потенциал ячейки равен более положительному значению E минус более отрицательное значение E.

Например, на рисунке выше растворами являются CuSO 4 и ZnSO 4. В каждом растворе есть соответствующая металлическая полоска и солевой мостик или пористый диск, соединяющий два раствора и позволяющий ионам SO. 4свободно перемещаться между растворами меди и цинка. Чтобы вычислить стандартный потенциал, просматривая полуреакции меди и цинка, мы получаем:

Cu + 2. e. ⇌ Cu E = +0,34 V

Zn + 2. e. ⇌ Zn E = −0,76 V

Таким образом, общая реакция выглядит так:

Cu + Zn ⇌ Cu + Zn

Стандартный потенциал для реакции тогда +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, K, для ячейки определяется как

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

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

где F - постоянная Фарадея, R - газовая постоянная, а T - температура в кельвинов. Для ячейки Даниэля K приблизительно равно 1,5 × 10. Таким образом, в состоянии равновесия переносится несколько электронов, достаточное для заряда электродов.

Фактические потенциалы полуэлементов должны быть рассчитаны с использованием уравнения Нернста, поскольку растворенные вещества маловероятны. чтобы быть в своих стандартных состояниях,

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

{\ 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

E полуячейка = E o - 2,303 RT ν e F log 10 ⁡ {M n +} {\ displaystyle E _ {\ text {half-cell }} = E ^ {o} -2,303 {\ frac {RT} {\ nu _ {e} F}} \ log _ {10} \ left \ {{\ text {M}} ^ {n +} \ right \ }}

{\ displaystyle E_ {\ text {half-cell}} = E ^ {o} -2,303 {\ frac {RT} {\ nu _ {e} F}} \ log _ {10} \ left \ {{\ text {M}} ^ {n +} \ right \}}

где {M} - 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, $E cell = E cell o {\ displaystyle E _ {\ text {cell}} = E _ {\ text {cell}} ^ {o}}$ ${\ displaystyle E _ {\ text {cell}} = E _ {\ text {cell}} ^ {o}}$ и Nernst уравнение не требуется в условиях, предполагаемых здесь.

Значение 2,303R / F составляет 1,9845 × 10 В / К, поэтому при 25 ° C (298,15 К) потенциал полуячейки изменится всего на 0,05918 В / ν e если концентрация иона металла увеличивается или уменьшается в 10 раз.

E полуячейка = E o - 0,05918 V ν e log 10 ⁡ [M n +] {\ displaystyle E _ {\ text {half- ячейка}} = E ^ {o} - {\ frac {0.05918 \ {\ text {V}}} {\ nu _ {e}}} \ log _ {10} \ left [{\ text {M}} ^ {n +} \ right]}

{\ 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. Кроме того, поскольку химические реакции происходят, когда ячейка вырабатывает энергию, концентрация электролита изменяется, а напряжение ячейки снижается. Следствием температурной зависимости стандартных потенциалов является то, что напряжение, создаваемое гальваническим элементом, также зависит от температуры.

Гальваническая коррозия

Гальваническая коррозия - это процесс, который разрушает металлы электрохимически. Эта коррозия возникает, когда два разнородных металла контактируют друг с другом в присутствии электролита, такого как соленая вода, образуя гальванический элемент с H2образованием на более благородный металл. Результирующий электрохимический потенциал затем создает электрический ток, который электролитически растворяет менее благородный материал. концентрирующая ячейка может быть сформирована, если один и тот же металл подвергается воздействию двух разных концентраций электролита.

Типы элементов

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Как построить гальваническую батарею с MiniScience.com
Galvanic Cell, an анимация
Интерактивная анимация гальванической ячейки. Исследовательская группа по химическому образованию, Университет штата Айова.
Реакции переноса электронов и окислительно-восстановительные потенциалы в клетках GALVANIc - что происходит с ионами на границе раздела фаз (NERNST, FARADAY) (видео SciFox на TIB AV-Portal)