Гальванические элементы и батареи. Батареи гальванические

Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Балаковский инженерно-технологический институт

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Методические указания

по курсу « Химия»

всех форм обучения

Балаково 2014

Цель работы: изучить принцип работы гальванических элементов.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ФАЗ

В узлах кристаллических решеток металлов расположены ионы атомов. При погружении металла в раствор начинается сложное взаимодействие поверхностных ионов металла с полярными молекулами растворителя. В результате происходит окисление металла, и его гидратированные (сольватированные) ионы переходят в раствор, оставляя в металле электроны:

Ме + m H 2 O Me(H 2 O)+ ne -

Металл заряжается отрицательно, а раствор - положительно. Возникает электростатическое притяжение между перешедшими в жидкость гидратированными катионами и поверхностью металла и на границе металл-раствор образуется двойной электрический слой, характеризующийся определенной разностью потенциалов -электродным потенциалом.

Рис. 1 Двойной электрический слой на границе раздела металл - раствор

Наряду с этой реакцией протекает обратная реакция - восстановление ионов металла до атомов.

Me(H 2 O)+ ne
Ме + m H 2 O -

При некотором значении электродного потенциала устанавливается равновесие:

Ме + m H 2 O
Me(H 2 O)+ ne -

Для упрощения воду в уравнение реакции не включают:

Ме
Me 2+ +ne -

Потенциал, устанавливающийся в условиях равновесия электродной реакции, называется равновесным электродным потенциалом.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Гальванические элементы – химические источники электрической энергии. Они представляют собой системы, состоящие из двух электродов (проводниковIрода), погруженных в растворы электролитов (проводниковIIрода).

Электрическая энергия в гальванических элементах получается за счет окислительно-восстановительного процесса при условии раздельного проведения реакции окисления на одном электроде и реакции восстановления на другом. Например, при погружении цинка в раствор сульфата меди цинк окисляется, а медь восстанавливается

Zn + CuSO 4 = Cu + ZnSO 4

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

Можно провести эту реакцию так, чтобы процессы окисления и восстановления были пространственно разделены; тогда переход электронов от восстановителя к окислителю будет происходить не непосредственно, а через электрическую цепь. На рис. 2 представлена схема гальванического элемента Даниэля-Якоби, электроды погружены в растворы солей и находятся в состоянии электрического равновесия с растворами. Цинк, как более активный металл, посылает в раствор больше ионов, чем медь, в результате чего цинковый электрод за счет остающихся на нем электронов заряжается более отрицательно, чем медный. Растворы разделены перегородкой, проницаемой только для ионов, находящихся в электрическом поле. Если электроды соединить между собой проводником (медной проволокой), то электроны с цинкового электрода, где их больше, будут по внешней цепи перетекать на медный. Возникает непрерывный поток электронов - электрический ток. В результате ухода электронов с цинкового электрода Znцинк начинает переходить в раствор в виде ионов, восполняя убыль электронов и стремясь тем самым восстановить равновесие.

Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом. Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом.

Анод (-) Катод (+)

Рис. 2. Схема гальванического элемента

При работе медно-цинкового элемента протекают следующие процессы:

1) анодный – процесс окисления цинка Zn 0 – 2e→Zn 2+ ;

2) катодный – процесс восстановления ионов меди Cu 2+ + 2e→Cu 0 ;

3) движение электронов по внешней цепи;

4) движение ионов в растворе.

В левом стакане - недостаток анионов SO 4 2- , а в правом – избыток. Поэтому во внутренней цепи работающего гальванического элемента наблюдается перемещение ионов SO 4 2- из правого стакана в левый через мембрану.

Суммируя электродные реакции, получаем:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

На электродах протекают 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 (суммарная реакция)

Схема гальванического элемента: (-) Zn/ZnSO 4 | |CuSO 4 /Cu(+)

или в ионном виде: (-) Zn/Zn 2+ | |Cu 2+ /Cu(+), где вертикальная черта обозначает поверхность раздела между металлом и раствором, а две черты - границу раздела двух жидких фаз - пористую перегородку (или соединительную трубку, заполненную раствором электролита).

Максимальная электрическая работа (W) при превращении одного моля вещества:

W=nF E, (1)

где ∆E- ЭДС гальванического элемента;

F- число Фарадея, равное 96500 Кл;

n- заряд иона металла.

Электродвижущая сила гальванического элемента, может быть рассчитана как разность потенциалов электродов, составляющих гальванический элемент:

ЭДС= Е окис. – Е восст = Е к – Е а,

где ЭДС- электродвижущая сила;

Е окисл. – электродный потенциал менее активного металла;

Е восст - электродный потенциал более активного металла.

СТАНДАРТНЫЕ ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ МЕТАЛЛОВ

Абсолютные значения электродных потенциалов металлов непосредственно определить невозможно, но можно определить разность электродных потенциалов. Для этого находят разность потенциалов измеряемого электрода и электрода, потенциал которого известен. Наиболее часто в качестве электрода сравнения принято использовать водородный электрод. Поэтому измеряют ЭДС гальванического элемента, составленного из исследуемого и стандартного водородного электрода, электродный потенциал которого принимают равным нулю. Схемы гальванических элементов для измерения потенциала металла таковы:

Н 2, Pt|H + || Мe n + |Me

Т. к. потенциал водородного электрода, условно равен нулю, то ЭДС измеряемого элемента будет равна электродному потенциалу металла.

Стандартным электродным потенциалом металла называют его электродный потенциал, возникающий при погружении металла в раствор собственного иона с концентрацией (или активностью) , равной 1 моль/л, при стандартных условиях, измеренный по сравнению со стандартным водородным электродом, потенциал которого при 25 0 С условно принимается равным нулю. Располагая металлы в ряд по мере возрастания их стандартных электродных потенциалов (Е°), получаем так называемый ряд напряжений.

Чем более отрицательное значение имеет потенциал системы Ме/Ме n+ , тем активнее металл.

Электродный потенциал металла, опущенного в раствор собственной соли при комнатной температуре, зависит от концентрации одноименных ионов и определяется по формуле Нернста:

, (2)

где E 0 – нормальный (стандартный) потенциал, В;

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31Дж(моль.К);

F– число Фарадея;

Т - абсолютная температура, К;

С - концентрация ионов металла в растворе, моль/л.

Подставляя значения R, F, стандартное температуры Т=298 0 К и множитель перехода от натуральных логарифмов (2,303)к десятичным, получают удобную для применения формулу:

(3)

КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Гальванические элементы могут быть составлены из двух совершенно одинаковых по природе электродов, погруженных в растворы одного и того же электролита, но различной концентрации. Такие элементы называются концентрационными, например:

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

В концентрационных цепях для обоих электродов величины n и E 0 одинаковы, поэтому для расчета ЭДС такого элемента можно использовать

, (4)

где С 1 – концентрация электролита в более разбавленном растворе;

С 2 - концентрация электролита в более концентрированном растворе

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОДОВ

Равновесные потенциалы электродов могут быть определены в условиях отсутствия в цепи тока. Поляризация - изменение потенциала электрода при прохождении электрического тока.

Е = Е i - Е p , (5)

где Е - поляризация;

Е i - потенциал электрода при прохождении электрического тока;

Е p - равновесный потенциал. Поляризация может быть катодной Е К (на катоде) и анодной Е A (на аноде).

Поляризация может быть:1) электрохимическая; 2) химическая.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. Опыты с неприятно пахнущими и ядовитыми веществами проводятся обязательно в вытяжном шкафу.

2. При распознавании выделяющегося газа по запаху следует направлять струю движениями руки от сосуда к себе.

3. Выполняя опыт, необходимо следить за тем, чтобы реактивы не попали на лицо, одежду и рядом стоящего товарища.

4. При нагревании жидкости, особенно кислот и щелочей, держать пробирку отверстием в сторону от себя.

5. При разбавлении серной кислоты нельзя приливать воду к кислоте, следует вливать кислоту осторожно, небольшими порциями в холодную воду, перемешивая раствор.

6. По окончании работы следует тщательно вымыть руки.

7. Отработанные растворы кислот и щелочей рекомендуется сливать в специально приготовленную посуду.

8. Все склянки с реактивами необходимо закрывать соответствующими пробками.

9. Оставшиеся после работы реактивы не следует выливать или высыпать в реактивные склянки (во избежание загрязнения).

Порядок выполнения работы

Задание 1

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Приборы и реактивы: цинк, гранулированный; сульфат меди CuSO 4 , 0,1 н раствор; пробирки.

Кусочек гранулированного цинка опустите в 0,1 н раствор сульфата меди. Оставьте стоять спокойно в штативе и наблюдайте происходящее. Составьте уравнение реакции. Сделайте вывод, какой металл можно взять в качестве анода и какой - в качестве катода для следующего опыта.

Задание 2

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Приборы и реактивы: Zn, Cu –металлы; сульфат цинка,ZnSO 4 , 1 М раствор; сульфат меди CuSO 4 , 1 М раствор; хлорид калия КCl, концентрированный раствор; гальванометр; стаканы; U- образная трубка, вата.

В один стакан налейте до ¾ объема 1М раствора соли металла, являющегося анодом, а в другой - такой же объем 1 М раствора соли металла, являющегося катодом. Заполните U- образную трубку концентрированным раствором КCl. Концы трубки закройте плотными кусочками ваты и опустите в оба стакана так, чтобы они погрузились в приготовленные растворы. В один стакан опустите пластинку металл- анод, в другую- пластинку металл- катод; смонтируйте гальванический элемент с гальванометром. Замкните цепь и отметьте по гальванометру направление тока.

Составьте схему гальванического элемента.

Напишите электронные уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде данного гальванического элемента. Вычислите ЭДС.

Задание 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АНОДА ИЗ УКАЗАННОГО НАБОРА ПЛАСТИНОК

Приборы и реактивы: Zn, Cu, Fe, Al –металлы; сульфат цинка,ZnSO 4 , 1 М раствор; сульфат меди CuSO 4 , 1 М раствор; сульфат алюминияAl 2 (SO 4) 3 1 М раствор; сульфат железаFeSO 4 , 1 М раствор; хлорид калия КCl, концентрированный раствор; стаканы; U- образная трубка, вата.

Составьте гальванические пары:

Zn/ZnSO 4 ||FeSO 4 /Fe

Zn / ZnSO 4 || CuSO 4 / Cu

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

Из указанного набора пластинок и растворов солей этих металлов соберите гальванический элемент, в котором цинк являлся бы катодом (задание 2).

Составьте электронные уравнения реакций, протекающих на аноде и катоде собранного гальванического элемента.

Напишите окислительно-восстановительную реакцию, которая лежит в основе работы данного гальванического элемента. Вычислите ЭДС.

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Лабораторный журнал заполняется в ходе лабораторных занятий по мере выполнения работы и содержит:

дату выполнения работы;

название лабораторной работы и ее номер;

название опыта и цель его проведения;

наблюдения, уравнения реакций, схему прибора;

контрольные вопросы и задачи по теме.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

1.Какие из указанных ниже реакций возможны? Написать уравнения реакций в молекулярном виде, составить для них электронные уравнения:

Zn(NO 3) 2 + Cu →

Zn(NO 3) 2 + Mg →

2. Составьте схемы гальванических элементов для определения нормальных электродных потенциалов Al/Al 3+ ,Cu/Cu 2+ в паре с нормальным водородным электродом.

3. Вычислите ЭДС гальванического элемента

Zn/ZnSO 4 (1M)| |CuSO 4 (2M)

Какие химические процессы протекают при работе этого элемента?

4. Химически чистый цинк почти не реагирует с соляной кислотой. При добавлении к кислоте нитрата свинца происходит частичное выделение водорода. Объясните эти явления. Составьте уравнения происходящих реакций.

5. Медь находится в контакте с никелем и опущена в разбавленный раствор серной кислоты, какой процесс происходит на аноде?

6. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция, протекающая по уравнению: Ni+Pb(NO 3) 2 =Ni(NO 3) 2 +Pb

7. Марганцевый электрод в растворе его соли имеет потенциал 1,2313 В. Вычислите концентрацию ионов Mn 2+ в моль/л.

Время, отведенное на лабораторную работу

Литература

Основная

1. Глинка. Н.А. Общая химия: учеб. пособие для вузов. – М.:Интеграл – Пресс, 2005. – 728 с.

2. Коржуков Н. Г. Общая и неорганическая химия. – М.: МИСИС;

ИНФРА–М, 2004. – 512 с.

Дополнительная

3.Фролов В.В. Химия: учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. шк., 2002. –

4. Коровин Н.В.. Общая химия: учебник для техн. направл. и спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2002.–559с.: ил..

4. Ахматов Н.С. Общая и неорганическая химия: учебник для вузов. – 4-е изд., исправл.- М.: Высш. шк., 2002. –743 с.

5. Глинка Н.А. Задания и упражнения по общей химии. – М.: Интеграл –Пресс, 2001. – 240 с.

6. Метельский А. В. Химия в вопросах и ответах: справочник. – Мн.: Бел.Эн., 2003. – 544 с

гальванические элементы

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

по курсу « Химия»

для студентов технических направлений и специальностей,

«Общая и неорганическая химия»

для студентов направления «Химическая технология»

всех форм обучения

Составили: Синицына Ирина Николаевна

Тимошина Нина Михайловна

Гальванический элемент - это химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, названный в честь итальянского учёного Луиджи Гальвани.

Позднее учёный собрал батарею из медно-цинковых элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом (см. рисунок). Он представлял собой несколько десяткой цинковых и медных кружков, сложенных попарно и разделённых сукном, пропитанным кислотой. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал гигантскую батарею из 2100 элементов, которая создавала напряжение около 2500 вольт и использовалась для получения мощной электрической дуги, которая создавала столь высокую температуру, что могла плавить металлы.

Существуют гальванические элементы и других конструкций. Рассмотрим ещё один медно-цинковый гальванический элемент, но работающий за счет энергии химической реакции между цинком и раствором сульфата меди (элемент Якоби-Даниэля). Этот элемент состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди, и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (см. рисунок). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой-мембраной, изготовленной из пористого материала.

Ещё одна разновидность гальванических элементов - так называемые «сухие» марганец-цинковые элементы Лекланше (см. рисунок). Вместо жидкого электролита в таком элементе используется гелеобразная паста из нашатыря и крахмала. Чтобы влага испарялась как можно меньше, верх такого элемента заливается воском или смолой с небольшим отверстием для выхода газов. Обычно элементы Лекланше изготавливаются в цилиндрических стаканчиках, которые одновременно служат и отрицательным электродом и сосудом.
Все химические источники тока (гальванические элементы и батареи из них) делятся на две группы - первичные (одноразовые) и вторичные (многоразовые или обратимые). В первичных источниках тока (в просторечии - батарейках) химические процессы протекают необратимо, поэтому их заряд нельзя восстановить. К вторичным химическим источникам тока относят аккумуляторы, их заряд можно восстановить. Для широко распространённых аккумуляторов цикл заряд-разряд можно повторять около 1000 раз.

Батарейки имеют различное напряжение и ёмкость. К примеру, традиционные щелочные батарейки имеют номинальное напряжение около 1,5 В, а более современные литиевые - около 3 В. Электрическая ёмкость зависит от множества факторов: количества элементов в батарее, уровня зарядки, температуры окружающей среды, тока отсечки (при котором устройство не работает даже при имеющемся заряде). Например, батарейка, которая уже не работает в фотоаппарате, зачастую продолжает работать в часах или пультах управления.
Количество электричества (заряд) в батарейках измеряется в ампер-часах. Например, если заряд батарейки равен 1 ампер-часу, а электрический прибор, который она питает, требует тока 200 мА, то срок действия батарейки вычислится так: 1 А·ч / 0,2 А = 5 часов.
Благодаря техническому прогрессу увеличилось разнообразие миниатюрных устройств, работающих от батареек. Для многих из них потребовались более мощные элементы питания, при этом достаточно компактные. Литиевые батарейки стали ответом на такую потребность: долгий срок хранения, высокая надёжность и отличная работоспособность в широком диапазоне температур. На сегодняшний день самыми передовыми являются литий-ионные источники тока. Потенциал данной технологии ещё не раскрыт полностью, но ближайшие перспективы связаны с ними.

Особую ценность в технике представляют никель-кадмиевые аккумуляторы, изобретённые еще в 1899 году шведским учёным В.Юнгнером. Но только к середине XX века инженеры пришли к почти современной схеме таких герметичных аккумуляторов. Благодаря компактности и автономности, аккумуляторные батареи используются в автомобилях, поездах, компьютерах, телефонах, фотоаппаратах, видеокамерах, калькуляторах и др.
Основными характеристиками аккумулятора являются ёмкость и предельная сила тока. Ёмкость батареи в ампер-часах равна произведению предельного тока на продолжительность разрядки. Например, если батарея может давать ток силой 80 мА в течение 10 часов, то ёмкость: 80 мА · 10 ч = 800 мА·ч (или, в международных обозначениях 800 mAh, см. рисунок).

Кузнецова Алла Викторовна (г. Самара)

В первых опытах ученых в емкость с кислотой опускали две металлические пластины: медную и цинковую. Пластины соединяли проводником, после чего на медной пластине появлялись газовые пузырьки, а цинковая пластина стала растворяться. Было доказано, что по проводнику проходит электрический ток. Это исследование начинал итальянский ученый Гальвани, от него и получили название гальванические элементы.

После этого ученый Вольта разработал цилиндрическую форму этого элемента в виде вертикального столбика, включающего в себя набор колец меди, цинка и сукна, соединенных друг с другом, и пропитанных кислотой. Разработанный Вольтом вертикальный элемент полуметровой высоты вырабатывал напряжение, которое мог почувствовать человек.

Гальванические элементы — это источники электрической энергии, вырабатывающие электрический ток методом химического взаимодействия двух металлов в электролите. Химическая энергия в гальванических элементах преобразуется в электрический ток.

Принцип работы

Действие гальванических элементов основано на том, что два разных металла в среде электролита взаимодействуют между собой, в результате чего во внешней цепи образуется электрический ток.

Такие химические элементы сегодня называют батарейками. Величина напряжения батарейки зависит от применяемых видов металлов и от числа элементов, находящихся в ней. Все устройство батарейки расположено в металлическом цилиндре. Электроды представляют собой металлические сетки с напылением восстановителя и окислителя.

Батарейки не могут восстанавливать утраченные свойства, так как в них осуществляется прямое преобразование химической энергии окислителя и восстановителя в электрическую. Химические реагенты при функционировании батарейки постепенно расходуются, а электрический ток уменьшается.

Отрицательный вывод батарейки выполнен из цинка или лития, он теряет электроны и является восстановителем. Другой положительный вывод играет роль окислителя, его изготавливают из оксида магния или солей металлов. Состав электролита в обычных условиях не пропускает через себя электрический ток. При замыкании электрической цепи начинается распад электролита на ионы, что обуславливает появление его электрической проводимости. Электролит состоит чаще всего из раствора кислоты или солей натрия и калия.

Виды и особенности устройства

Батарейки широко используются для питания разных электронных устройств, приборов, цифровой техники и делятся на три вида:

Щелочные.
Солевые.
Литиевые.

Солевые гальванические элементы

Такие батарейки относятся к марганцево-цинковым элементам питания, и являются наиболее применяемыми в настоящее время.

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. 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.

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.

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.

Литиевые элементы питания

Литиевые гальванические элементы применяются в различных современных устройствах. Они выпускаются различных типоразмеров и видов.

Существуют литиевые батарейки и , имеющие между собой большие отличия. Батарейки имеют в составе твердый органический электролит, в отличие от других видов элементов. Литиевые элементы используются в местах, где требуются средние и малые токи разряда, стабильное рабочее напряжение. Литиевый аккумулятор можно перезаряжать определенное количество раз, а батарейки не предназначены для этого, и используются только один раз. Их запрещается вскрывать или перезаряжать.

Основные требования к производству

Надежная герметизация корпуса. Нельзя допускать утечки электролита и проникновения внутрь других веществ из внешней среды. Нарушение герметичности приводит к их возгоранию, так как литий является высоко активным элементом. Гальванические элементы с нарушенной герметичностью не годятся для эксплуатации.
Изготовление должно проходить в герметичных помещениях с аргоновой атмосферой и контролем влажности.

Форма литиевых аккумуляторов бывает цилиндрической, дисковой или призматической. Габариты практически не отличаются от других видов батареек.

Область использования

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.

Преимущества

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

Гальванический элемент – это источник электрической энергии, принцип действия основан на химических реакциях. Большинство современных батареек и аккумуляторов подпадает под определение и относится к рассматриваемой категории. Физически гальванический элемент состоит из проводящих электродов, погруженных в одну или две жидкости (электролиты).

Общая информация

Гальванические элементы делятся на первичные и вторичные в соответствии со способностью вырабатывать электрический ток. Оба вида считаются источниками и служат для различных целей. Первые вырабатывают ток в ходе химической реакции, вторые функционируют исключительно после зарядки. Ниже обсудим обе разновидности. По количеству жидкостей различают две группы гальванических элементов:

Непостоянство источников питания с единственной жидкостью заметил Ом, открыв неприемлемость гальванического элемента Волластона для экспериментов по исследованию электричества. Динамика процесса такова, что в начальный момент времени ток велик и вначале растёт, потом за несколько часов падает до среднего значения. Современные аккумуляторы капризны.

История открытия химического электричества

Мало известен факт, что в 1752 году гальваническое электричество упоминалось Иоганном Георгом. Издание Исследование происхождения приятных и неприятных ощущений, выпущенное Берлинской академией наук, даже придавало явлению вполне правильное толкование. Опыт: серебряную и свинцовую пластины соединяли с одного конца, а противоположные с разных сторон прикладывались к языку. На рецепторах наблюдается вкус железного купороса. Читатели уже догадались, описанный способ проверки батареек часто использовали в СССР.

Объяснение явления: видимо, имеются некие частицы металла, раздражающие рецепторы языка. Частицы испускаются одной пластиной при соприкосновении. Причём один металл при этом растворяется. Собственно, налицо принцип действия гальванического элемента, где цинковая пластина постепенно исчезает, отдавая энергию химических связей электрическому току. Объяснение сделано за полвека до официального доклада Королевскому обществу Лондона Алессандро Вольта об открытии первого источника питания. Но, как происходит часто с открытиями, к примеру, электромагнитным взаимодействием, опыт остался незамечен широкой научной общественностью и не исследован должным образом.

Добавим, это оказалось связано с недавней отменой преследования за колдовство: немногие решались после печального опыта «ведьм» на изучение непонятных явлений. Иначе обстояло дело с Луиджи Гальвани, с 1775 года работающим на кафедре анатомии в Болонье. Его специализаций считались раздражители нервной системы, но светило оставил значимый след не в области физиологии. Ученик Беккарии активно занимался электричеством. Во второй половине 1780 года, как следует из воспоминаний учёного (1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, том 7, стр. 363), в очередной раз производилось препарирование лягушки (опыты и потом длились долгие годы).

Примечательно, что необычное явление подмечено ассистентом, в точности, как с отклонением стрелки компаса проводом с электрическим током: открытие сделали лишь косвенно связанные с научными исследованиями люди. Наблюдение касалось подергиваний нижних конечностей лягушки. В ходе опыта ассистент задел внутренний бедренный нерв препарируемого животного, ножки дёрнулись. Рядом, на столе стоял электростатический генератор, на приборе проскочила искра. Луиджи Гальвани немедленно загорелся идеей повторить опыт. Что удалось. И опять на машине проскочила искра.

Образовалась параллель связи с электричеством, и Гальвани возжелал узнать, станет ли на лягушку действовать подобным образом гроза. Оказалось, что природные катаклизмы не оказывают заметного воздействия. Лягушки, прикреплённые медными крючками за спинной мозг к железной ограде, дёргались вне зависимости от погодных условий. Опыты не удавалось реализовать со 100-процентной повторяемостью, атмосфера воздействия не оказывала. В итоге Гальвани нашёл сонм пар, составленных из разных металлов, которые при соприкосновении между собой и нервом вызывали подёргивание лапок у лягушки. Сегодня явление объясняют различной степенью электроотрицательности материалов. К примеру, известно, что нельзя алюминиевые пластины клепать медью, металлы составляют гальваническую пару с ярко выраженными свойствами.

Гальвани справедливо заметил, что образуется замкнутая электрическая цепь, предположил, что лягушка содержит животное электричество, разряжаемое подобно лейденской банке. Алессандро Вольта не принял объяснения. Внимательно изучив описание экспериментов, Вольта выдвинул объяснение, что ток возникает при объединении двух металлов, непосредственно или через электролит тела биологического существа. Причина возникновения тока кроется в материалах, а лягушка служит простым индикатором явления. Цитата Вольты из письма, адресованного редактору научного журнала:

Проводники первого рода (твёрдые тела) и второго рода (жидкости) при соприкосновении в некоторой комбинации рождают импульс электричества, сегодня нельзя объяснить причины возникновения явления. Ток течёт по замкнутому контуру и исчезает, если целостность цепи нарушена.

Вольтов столб

Лепту в череду открытий внёс Джованни Фаброни, сообщивший, что при размещении двух пластинок гальванической пары в воду, одна начинает разрушаться. Следовательно, явление имеет отношение к химическим процессам. А Вольта тем временем изобрёл первый источник питания, долгое время служивший для исследования электричества. Учёный постоянно искал способы усиления действия гальванических пар, но не находил. В ходе опытов создана конструкция вольтова столба:

Попарно брались цинковые и медные кружки в плотном соприкосновении друг с другом.
Полученные пары разделялись мокрыми кружками картона и ставились друг над другом.

Легко догадаться, получилось последовательное соединение источников тока, которые суммируясь, усиливали эффект (разность потенциалов). Новый прибор вызывал при прикосновении ощутимый для руки человека удар. Подобно опытам Мушенбрука с лейденской банкой. Однако для повторения эффекта требовалось время. Стало очевидно, что источник энергии имеет химическое происхождение и постепенно возобновляется. Но привыкнуть к понятию нового электричества оказалось непросто. Вольтов столб вёл себя подобно заряженной лейденской банке, но…

Вольта организует дополнительный эксперимент. Снабжает каждый из кружков изолирующей ручкой, приводит в соприкосновение на некоторое время, потом размыкает и проводит исследование электроскопом. К тому времени уже стал известен закон Кулона, выясняется, что цинк зарядился положительно, а медь – отрицательно. Первый материал отдал электроны второму. По указанной причине цинковая пластина вольтова столба постепенно разрушается. Для изучение работы назначили комиссию, которой представили доводы Алессандро. Уже тогда путём умозаключений исследователь установил, что напряжение отдельных пар складывается.

Вольта объяснил, что без мокрых кружков, прокладываемых между металлами, конструкция ведёт себя как две пластинки: медная и цинковая. Усиления не происходит. Вольта нашёл первый ряд электроотрицательности: цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро. И если исключить промежуточные металлы между крайними, «движущая сила» не изменяется. Вольта установил, что электричество существует, пока соприкасаются пластины: сила не видна, но легко чувствуется, следовательно, она истинна. Учёный 20 марта 1800 года пишет президенту Королевского общества Лондона сэру Джозефу Бэнксу, к которому обращался впервые и Майкл Фарадей.

Английские исследователи быстро обнаружили: если на верхнюю пластину (медь) капнуть воды, в указанной точке в районе контакта выделяется газ. Они проделали опыт с обоих сторон: провода подходящей цепи заключили в колбы с водой. Газ исследовали. Оказалось, что газ горючий, выделяется лишь с единственной стороны. С противоположной заметно окислилась проволока. Установлено, что первое является водородом, а второе явление происходит вследствие избытка кислорода. Установлено (2 мая 1800 года), что наблюдаемый процесс — разложение воды под действием электрического тока.

Уильям Крукшенк немедленно показал, что аналогичное допустимо проделать с растворами солей металлов, а Волластон окончательно доказал идентичность вольтова столба статическому электричеству. Как выразился учёный: действие слабее, но обладает большей продолжительностью. Мартин Ван Марум и Христиан Генрих Пфафф зарядили от элемента лейденскую банку. А профессор Хампфри Дэви установил, что чистая вода не может служить в этом случае электролитом. Напротив, чем сильнее жидкость способна окислять цинк, тем лучше действует вольтов столб, что вполне согласовывалось с наблюдениями Фаброни.

Кислота намного улучшает работоспособность, ускоряя процесс выработки электричества. В конце концов Дэви создал стройную теорию вольтова столба. Он пояснил, что металлы изначально обладают неким зарядом, при замыкании контактов вызывающим действие элемента. Если электролит способен окислять поверхность донора электронов, слой истощённых атомов постепенно удаляется, открывая новые слои, способные давать электричество.

В 1803 году Риттер собрал столб из чередующихся кружков серебра и мокрого сукна, прообраз первого аккумулятора. Риттер зарядил его от вольтова столба и наблюдал процесс разрядки. Правильное толкование явлению дал Алессандро Вольта. И лишь в 1825 году Огюст де ла Рив доказал, что перенос электричества в растворе осуществляется ионами вещества, наблюдая образование оксида цинка в камере с чистой водой, отделённой от соседней мембраной. Заявление помогло Берцелиусу создать физическую модель, в которой атому электролита представлялись составленными из двух противоположно заряженных полюсов (ионов), способных диссоциировать. В результате получилась стройная картина переноса электричества на расстояние.

Маломощные источники электрической энергии

Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.

Гальванические элементы - это источники одноразового действия, аккумуляторы - источники многоразового действия.

Простейший гальванические элемент

Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.

Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится . По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ - водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.

Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.

Важные параметры гальванических элементов

Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.

Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.

Очень важной характеристикой гальванического элемента является . Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.

Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).

По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.

Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.

Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.

Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.

Распространенные виды гальванических элементов

Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до -60 о С от 7 ч до 340 ч.

Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.

Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.

Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.

Это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.

Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.

Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.

От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок.
Устройство аккумулятора

В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых - раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые - щелочными.

Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов . Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + Н 2 .

Устройство кислотного аккумулятора

Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO 4) превращаются в разнородные (Pb и Рb О 2 ).

Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным - чистая свинцовая пластина.

К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.

В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.

К концу разряда обе пластины аккумулятора опять покрываются сернокислым свинцом, в результате чего аккумулятор перестает быть источником тока. До такого состояния аккумулятор никогда не доводят. Вследствие образования сернокислого свинца на пластинах, концентрация электролита в конце разряда понижается. Если аккумулятор поставить на заряд, то вновь можно вызвать поляризацию, чтобы опять поставить его на разряд и т. д.

Как зарядить аккумулятор

Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой - нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5 - 6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В.

Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16

Где Q - номинальная емкость аккумулятора, Ач.

После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд и течение 15 - 18 ч, до появления признаков конца заряда.

Современные аккумуляторы

Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.

Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 о С и выдерживают 400 - 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.

Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50 - 60 Вт ч кг -1 .