Принцип работы гальванического элемента

История батарейки — гальванического элемента

Свое название гальванические элементы получили по имени итальянского врача и анатома Луиджи Гальвани (1737 — 1798). Проводя опыты с лягушками, Гальвани заметил, что свежепрепарированная лягушачья лапка, подвешенная на медном крючке к железному стержню, сокращается, когда к ней прикасались железом. Наблюдения были истолкованы им как проявление «животного электричества».

Объясняя это явление позже итальянский физик Александро Вольта установил, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие цепи из разных проводников в жидкости. Сама лягушачья лапка играла роль чувствительного прибора.

Александро Вольта создал первый источник тока («Вольтов столб»), который можно было использовать на практике. Этот источник состоял из медных и цинковых пластин, между которыми были проложены кружочки ткани, пропитанные раствором щелочи.

Александро Вольта предложил разделить все проводники на два рода:

1. Сухие — металлы и уголь.
2. Влажные — электролиты(влажные).

Шведский ученый Сванте Аррениус, изучая электропроводимость растворов различных веществ, в 1877 году пришел к выводу, что причиной электропроводимости является наличие в растворе ионов, которые образуются при растворении электролита в воде.

Процесс распада электролита на ионы называется электрической диссоциацией. При диссоциации в воде электролиты диссоциируют на положительно и отрицательно заряженные ионы. Под действием электрического поля, положительно заряженные ионы движутся к отрицательному полюсу источника тока (катоду) и называются катионами, а отрицательно заряженные – к положительному полюсу (аноду) и называются анионами. Таким образом электролиты обладают электронной проводимостью.

Примеры гальванических элементов:

Эволюция батарейки — солевой гальванический элемент

Одним из первых гальванических элементов, которым можно было пользоваться вне лабораторий, была конструкция Жоржа Лекланше (1866 год). Она состояла из цинкового анода, катода из диоксида марганца с углем и электролита из хлорида аммония. Со временем элемент Лекланше эволюционировал в солевой (сухой) гальванический элемент следующим образом:

• Цинковый анод стал делаться в виде цинкового стаканчика.
• В стаканчике разместился катод из смеси диоксида марганца и графита.
• В центре катода находится угольный стержень, являющийся токосъемником (в некоторых источниках именно он неправильно называется катодом).
• Катод окружен электролитом из хлорида аммония с добавкой хлорида цинка.
• Электролит уже не в жидком виде, как у Лекланше, а в загущенном (гель). Это происходит путем добавления крахмала и муки, и необходимо для того, чтобы электролит не мог вытечь или высохнуть при хранении и эксплуатации элемента.

Конструкция сухой батареи:

	1 — воздушная прослойка
2 — цинковый стакан
3 — электролит (NH4CL + ZnCl2)
4 — смесь графита и MnO2
5 — угольный стержень
6 — защитный корпус

Гальванический элемент

Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби Обозначение гальванического элемента на принципиальных электрических схемах

Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани. Переход химической энергии в электрическую энергию происходит в гальванических элементах.

Схема гальванического элемента

Под схемой подразумевают его состав и устройство. Он может быть выполнен из нескольких химических элементов с применением вспомогательных приспособлений. Ниже об строение гальванического элемента будет рассказано кратко.

Устройство гальванического элемента

Самый простой энергетический накопитель состоит из:

1. Стрежня из угля.
2. Двух разнородных металлов.
3. Электролита.
4. Смола или пластик.
5. Изолятора.

Металл, погруженный в раствор электролита, называется электродом.

Электроды — это система двух токопроводящих тел — проводников первого и второго рода.

К проводникам первого рода относятся металлы, сплавы, оксиды с металлической проводимостью, а также неметаллические материалы, в частности графит; носители заряда — электроны.

К проводникам второго рода относятся расплавы и растворы электролитов; носители заряда — ионы.

Устройство, состоящее из двух электродов, называется гальваническим элементом.

Схема медно-цинкового гальванического элемента

Рассмотрим гальванический элемент Якоби—Даниэля (схема приведена на рис. 2). Он состоит из цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка, и медной пластины, погружен­ной в раствор сульфата меди. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой.

В гальваническом элементе электрод, сделанный из более активного металла, т.е. металла, расположенного левее в ряду напряжений, называют анодом, а электрод, сделанный из менее активного металла — катодом.

На поверхности цинкового электрода (анода) возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Zn0 – 2ē ←→ Zn2+.

В результате протекания этого процесса возникает электродный потенциал цинка.

На поверхности медного электрода (катода) также возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Cu2+ + 2ē ←→ Cu0.

В результате возникает электродный потенциал меди.

Так как потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, то при замыкании внешней цепи, т.е. при соединении цинка с медью металлическим проводником, электроны будут переходить от цинка к меди. В результате этого процесса равновесие на цинковом электроде смещается вправо, поэтому в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. В то же время равновесие на медном электроде сместится влево и произойдет разряд ионов меди.

Таким образом, при замыкании внешней цепи возникают самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и выделения меди на медном электроде. Данные процессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются потенциалы или не растворится весь цинк или не высадится на медном электроде вся медь.

Итак, при работе гальванического элемента Якоби—Даниэля протекают следующие процессы:

1. Анодный процесс, процесс окисления:

Zn0 – 2ē → Zn2+.

2. Катодный процесс, процесс восстановления:

Cu2+ + 2ē → Cu0.

3. Движение электронов во внешней цепи.

4. Движение ионов в растворе: анионов SO42– к аноду, катионов Cu2+ к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

Суммируя электродные реакции, получим:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu.

В результате протекании данной реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т.е. электрический ток. Поэтому суммарную химическую реакцию, протекающую в гальваническом элементе, называют токообразующей реакцией.

Электрический ток в гальваническом элементе возникает за счет окислительно-восстановительной реакции, протекающей так, что окислительные и восстановительные процессы оказываются пространственно разделенными: на отрицательном электроде (аноде) происходит процесс окисления, на положительном электроде (катоде) — процесс восстановления.

Необходимым условием работы гальванического элемента является разность потенциалов электродов. Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента. Она равна разности между потенциалом катода и потенциалом анода элемента:

ЭДС = Eк – Ea . (1)

ЭДС элемента считается положительной, если токообразующая реакция в данном направлении протекает самопроизвольно. Положительной ЭДС отвечает и определенный порядок в записи схемы элемента: записанный слева электрод должен быть отрицательным. Например, схема элемента Якоби—Даниэля записывается в виде:

Zn │ ZnSO4 ║ CuSO4 │ Cu .

Принцип работы гальванического элемента

Работа гальванического элемента осуществляется за счет движения электронов от одного металлического контакта к другому. Идет некое химическое превращение.

Рассмотрим как работает электрическая батарейка и какие реакции взаимодействия происходят между ее химическими компонентами:

• Отрицательно заряженные ионы гидроксида (2OH-) взаимодействуют с цинком (Zn) в анодной секции. В результате химической реакции окисления получается гидроксид цинка (Zn(OH)2) и высвобождаются молекула воды и отрицательно заряженные электроны. Эти электроны теперь свободны для перемещения, и они собираются на латунном штыре (токоотводе отрицательного электрода).
• В то же время диоксида марганца (2MnO2) соединяется с молекулой воды (H2O) из электролита, а также со свободным электроном. Во время такой химической реакции восстановления диоксид марганца превращается в оксид марганца (Mn2O3). Оксид марганца больше не нуждается в атоме гидроксид-иона, поэтому он будет выбрасывать его в электролит.
• Таким образом, появляется скопление электронов на отрицательном конце батарейки. Поскольку больше отрицательно заряженных электронов на отрицательном полюсе по сравнению с положительным, образуется разность напряжений между ними, и эту разность можно измерить с помощью мультиметра.
• Электроны отталкиваются друг от друга и хотят переместиться в область с меньшим количеством электронов. Но сепаратор не позволяет им течь внутри батареи, чтобы достичь положительной клеммы. Если обеспечить электронам внешний путь (например подключив лампочку), то электроны будут течь через него и выполнять работу (заставлять лампу светится).

Пока есть полная цепь между выводами батарейки, химическая реакция будет продолжаться, и электроны будут течь от отрицательного клеммника к положительному. Если разорвать цепь, то химическая реакция прекратится.

Наглядно понять, как работает батарейка и что у нее происходит внутри, можно, ознакомившись с представленной ниже видео демонстрацией.

Типы гальванических элементов

Выделяют ряд батареек определенных типов.

Таблица гальванических элементов

Назначение гальванического элемента

Он предназначен для запуска электрической технике. Это могут быть:

1. Часы.
2. Пульты.
3. Фонарики.
4. Медицинское оборудование.
5. Ноутбуки.
6. Игрушки.
7. Брелки.
8. Телефоны.
9. Лазерные указки.
10. Калькуляторы.

И им подобные окружающие нас вещи.

Достоинствами солевых батареек являются:

• Приемлемые электрические параметры для многих областей использования.
• Удобство применения.
• Малая цена ввиду небольших расходов на изготовление.
• Простая технология изготовления.
• Дешевое и доступное сырье.

Длительное время этот вид батареек является наиболее популярным, благодаря соотношению качества и цены.

Однако в последние годы заводы изготовители уменьшают производство солевых гальванических элементов, и даже отказываются от выпуска, так как требования к источникам питания повышаются производителями электронной техники.

Недостатками солевых батареек являются:

• Малый срок хранения, не более 2-х лет.
• Резкое падение свойств при снижении температуры.
• Резкое уменьшение емкости при повышении рабочего тока до эксплуатационных значений современных потребителей.
• Быстрое уменьшение напряжения во время работы.

Солевые гальванические элементы в конце своего разряда могут потечь, что связано с вытеканием электролита из-за увеличения объема положительного электрода, который выдавливает электролит. Активная масса плюсового электрода состоит из диоксида марганца и электролита. Сажа и графит, добавленный в активную смесь, повышают электропроводность активной смеси.

Их доля равна от 8 до 20% в зависимости от марки батарейки. Для увеличения срока работы окислителя активную смесь насыщают электролитом.

Минусовой электрод изготавливают из очищенного цинка, устойчивого к коррозии. В нем остается небольшая доля кадмия или свинца, являющегося ингибиторами коррозии. Раньше в батарейках в качестве электролита использовали хлорид аммония.

Важно

Он участвует в реакции образования тока, создает проходимость ионов. Но такой электролит не показал хороших результатов, и его заменили хлоридом цинка с примесями хлорида кальция.

Марганцево-кислые элементы работают дольше, и показывают лучшие результаты при пониженных температурах.

В солевых гальванических элементах отрицательным полюсом является цинковый корпус 7. Плюсовой электрод 6 изготовлен из активной прессованной массы, пропитанной электролитом. По центру этой массы находится угольный стержень 5, обработанный парафином для удержания влаги в электролите.

Верхняя часть стержня закрыта металлическим колпаком. В сепараторе 4 находится густой электролит. В газовую камеру 1 поступают газы, образованные при работе батарейки. Сверху батарейку закрывают прокладкой 3.

Весь гальванический элемент заключают в футляр 2, выполненный из картона или фольги.

Литиевые гальванические элементы обладают более длительным сроком работы, по сравнению с другими элементами. Область применения очень широка:

• Космическая промышленность.
• Авиационное производство.
• Оборонная промышленность.
• Детские игрушки.
• Медицинская техника.
• Компьютеры.
• Фото- и видеокамеры.

Пркимущества:

• Широкий интервал рабочих температур.
• Компактные размеры и масса.
• Длительная эксплуатация.
• Стабильные параметры в различных условиях.
• Большая емкость.

Недостатки

• Возможность внезапного возгорания при несоблюдении правил пользования.
• Высокая цена, по сравнению с другими видами батареек.

Щелочные батарейки

Щелочные элементы питания появились в середине прошлого века. В них в качестве окислителя выступает диоксид марганца, а в качестве восстановителя порошковый цинк.

Это дает возможность увеличить поверхность. Для предохранения от коррозии раньше применялось амальгамирование.

Но после запрета на ртуть используют очищенные цинковые порошки с добавлением других металлов и ингибиторов коррозии.

Активным веществом анода щелочной (алкалиновой) батарейки стал очищенный цинк в виде порошка с добавлением алюминия, индия или свинца. Активная смесь катода включает в себя диоксид марганца, ацетиленовую сажу или графит. Электролит алкалиновых батареек состоит из едкого натра или калия с добавлением оксида цинка.

Порошковый анод позволяет значительно повысить использование активной смеси, в отличие от солевых батареек. Алкалиновые батарейки обладают значительно большей емкостью, чем солевые, при равных габаритных размерах. Они хорошо себя показали в работе на морозе.

Особенностью устройства алкалиновых элементов является порошковый цинк, поэтому вместо цинкового стакана используют стальной корпус для положительного вывода. Активная смесь положительного электрода находится возле внутренней стенки стального корпуса. В алкалиновой батарейке есть возможность разместить больше активной смеси положительного электрода, в отличие от солевой.

Совет

В активную смесь вставляется целлофановый сепаратор, смоченный электролитом. По центру батарейки проходит латунный отрицательный электрод. Остальной объем между сепаратором и отрицательным токоотводом заполняется анодной пастой в виде порошкового цинка, пропитанного густым электролитом.

Обычно в качестве электролита используют щелочь, насыщенную специальными соединениями цинка. Это дает возможность предотвратить потребление щелочи в начале работы элемента, и снизить коррозию. Масса щелочных батареек выше солевых из-за стального корпуса и большей плотности активной смеси.

По многим основным параметрам алкалиновые гальванические элементы превосходят солевые элементы. Поэтому в настоящее время увеличивается объем производства щелочных батареек.