Схема гальванического элемента: Алгоритм составления схемы гальванического элемента.

Схема гальванического элемента. Задачи 64

Задача 4. 

Схема гальванического элемента : Al/Al₂(SO₄)₃//AgNO₃/Ag.

Указать анод и катод, написать электродные процессы, суммарное уравнение реакции и рассчитать электродвижущую силу элемента при 298К, если 

[A^l3+] = 0,0001 моль/л, [Аg⁺] = 0,1моль/л.

Решение:
Решение:

Серебро, потенциал которого (+0,80 В) более электроположительный, чем у алюминия (-1,66 В)  — катод, т. е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Ag⁺ + 1 = Ag⁰

Алюминий имеет меньший потенциал (-1,66 В) является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Al⁰ — 3 = Al³⁺

Уравнение окислительно-восстановительной реакции, характеризующее работу данного гальванического элемента, можно получить, сложив электронные уравнения анодного и катодного процессов, получим:

Al⁰ + 3Ag⁺ = 3Ag⁰ + Al³⁺

Для расчета значения потенциалов, используем уравнение Нернста:

Е = Е⁰ + (0,059/n)lgC где

Е⁰ – стандартный электродный потенциал металла; n – число электронов, принимающих участие в процессе; с – концентрация ионов металла в растворе.

Тогда

Е(Ag) = +0,80 + (0,059/1)lg0,1 = +0,74 B;

Е(Al) = -1,66 + (0,059/3)lg0,0001 = -1,74 B.

Для определения ЭДС гальванического элемента необходимо из потенциала катода вычесть потенциал анода, т е. при вычислении ЭДС элемента меньший электродный потенциал вычитается из большего (в алгебраическом смысле), получим:

ЭДС = +0,74 — (-1,74) = +2,48 B.

 

Задача 65. 

Составить схему гальванического элемента, в котором алюминий будет катодом. Написать электродные процессы, суммарное уравнение процесса.
Решение:

Cхема гальванического элемента, в котором алюминий будет катодом может иметь вид:

Mg/Mg²⁺//Al³⁺/Al

Или

Mg/MgCl₂//AlCl₃/Al

Алюминий, потенциал которого (-1,66 В) более электроположительный, чем у магния (-2,38 В)  — катод, т. е. электрод, на котором протекает восстановительный процесс:

Al³⁺ + 3 = Al⁰

Магний имеет меньший потенциал (-2,38 В) является анодом, на котором протекает окислительный процесс:

Mg⁰ — 2 = Mg²⁺

Cуммарное уравнение процесса:

3Mg⁰ + 2Al³⁺ = 3Mg²⁺ + 2Al⁰

 

Задача 66.  

Составить схему гальванического элемента, в котором протекает реакция: Ag⁺ + Cl^– = AgCl. Рассчитать стандартную ЭДС элемента при 25o C,  G^o и константу равновесия реакции.
Решение.
1. Схема гальванического элемента имеет вид:

Ag|AgCl|Cl^–||Ag⁺|Ag

2. Электродные процессы:

Правый электрод: Ag⁺ +1 = Ag;   E^o = +0,799 В;

Левый электрод: AgCl  + 1 = Ag⁺ + Cl^– ;  E^o = +0,222 В;

Общая реакция: Ag⁺ + Cl^– = AgCl;   E^o = +0,557 В.

3. Рассчитаем энергию Гиббса процесса:

Для расчета G^o используем формулу:

 
G^o = —nFE^o, где

n — количество электронов, участвующих в процессе, 1 электрон; F — универсальная газовая постоянная, 96485 Кл.моль-1; Eo — окислительно-восстановительный потенциал процесса, +0,557 В.

Тогда

G^o = —nFE^o = -(96485 Кл.моль-1) ^. (0,557 В) = -53,742 кДж.  моль-1.    

4. Расчет константы равновесия реакции:

Для расчета используем формулу:

К = exp–G^o/RT = exp[ -53,742/(8,31 ^. 298,15)] = 2,6 ^. 109

Гальванический элемент: схема, принцип работы, состав

Содержание

1. Схема гальванического элемента
2. Устройство гальванического элемента
3. Принцип работы гальванического элемента
4. Ответы на часто задаваемые вопросы
5. Типы гальванических элементов
6. Таблица гальванических элементов
7. Назначение гальванического элемента
8. Гальванический элемент в домашних условиях
9. Процесс изготовления

Впервые в мире гальванический элемент был разработан Луиджи Гальвани. Об его истории читайте в этой статье. По сути это временный источник электрического тока, который формируется за счет протекания химической реакции. Поток электронов формируется за счет взаимодействия между двумя разноименными металлами. В результате этого химическая энергия преобразуется в электрическую, которую уже можно использовать в повседневной жизни.

Концентрационный гальванический элемент – это источник тока в состав которого входит 2 однотипных металлических электродов помещенных в смесь солей этого металла в различных концентрациях.

Кроме Гальвани созданием эффективной батареи занимался Даниэль Якоби. Он немного видоизменил свой источник энергии. В его состав входит пластина, выполненная из меди, помещенная в CuSO4 и пластина из цинка погруженная в ZnSO4. Чтобы не дать им воздействовать прямо друг на друга между ними установлена пористая стенка. Ниже представлена схема гальванического элемента Даниэля Якоби.

Цинк и медь обладают разной активностью и поэтому их заряд по величине будет различным. В итоге уровень электродов также не однозначен. Это позволяет им перемещаться и производить электрический или гальванический ток. Он начинает протекать, когда любой человек или изобретатель тока хранящего аппарата присоединяет нагрузку. В качестве нее может быть лампочка, приемник, компьютерная мышка и другие электрические устройства.

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. Подробнее о нем читайте в этой статье!

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.

Как видно из этой схемы в составе строения гальванического элемента имеется отрицательный и положительный электрод. Они могут быть выполнены из меди, цинка и других металлов. Имеют название по типу медно цинковые. Иногда их называют сухие батарейки.

Обозначение гальванического элемента на схеме выполнено в виде двух вертикальных прямых приближенных друг к другу на небольшом расстоянии. Одна из которых будет меньше. По краям возле каждой такой линии имеются знаки, обозначающие полярность. У длинной линии ставят плюс, а у короткой минус. Рядом может располагаться вольтаж. Это означает что схема в которой используется батарейка работает только от этого напряжения.

Принцип работы гальванического элемента

Работа гальванического элемента осуществляется за счет движения электронов от одного металлического контакта к другому. Идет некое химическое превращение. Подробнее про термодинамику гальванического элемента и образование гальванического электричества читайте здесь.

Ответы на часто задаваемые вопросы

Гальванический/ая	Разъяснение
Батарея	Источник энергии работающий за счет процессов, происходящих в ограниченном миниатюрном пространстве. В частности, энергия появляется, когда идет химическая реакция.
Элемент Вольта или Вольтов столб	Это энергетический элемент впервые созданный ученым по фамилии Вольт.
Процесс	Взаимодействие между химическими элементами в результате которого образуется электрический ток.
Разряд	Это завершение протекания химической реакции. То есть взаимодействия между веществами не будет.Гальванический разряд есть в игре Warframe. По сути это модификация, которая находится в большом дефиците. Ее используют для холодного оружия. Полярность V2.
Гальванический контакт	Это контакт между электродами и раствором.
Эффект	Появление разности между двумя контактами из 2-х типов металлов. Величина зависит от температуры и химии проводников. По сути это первый закон Вольта.
Соединение/связь/цепь	Объединение 2-х и более участков электрической цепи с источником тока.
Гальванический заряд	Наполнение батареи энергией.

Гальваника – это протекание химических процессов с использование электрического тока. В ходе реакция сокращается количество растворенных катионов металла до такой степени что в конечном итоге они создают единое покрытие на металлическом электроде. В итоге предмет получается более прочным, исчезают небольшие вмятины и его вид становится более привлекательным.

Типы гальванических элементов

Выделяют ряд батареек определенных типов.

Таблица гальванических элементов

Тип	Напряжение	Основные плюсы
Литиевые	3 V	Большая емкость, высокая сила тока.
Солевые батарейки или угольно – цинковые	1.5 в	Самые дешевые.
Никельоксигидроксильные NiOOH	1.6 вольт	Повышенный ток. Большая емкость.
Щелочные или алкалиновые	1. 6 V	Большая сила тока. Хороший объем.

Более детальнее эта тема раскрыта в статье виды батареек!

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.

Гальванический элемент в домашних условиях

Простой источник тока можно сделать и своими руками. Для этого нам потребуется следующий инвентарь:

1. Пластиковый стакан.
2. Электролит. В качестве него можно взять соленый раствор, газировку или лимонную кислоту, разведенную в воде.
3. Пластинки двух разных металлов. К примеру алюминий и медь.
4. Провода

Процесс изготовления

Берем пластиковый стаканчик и наливаем в него электролит. Не следует наполнять стакан до самых краев. Лучше на 1-2 сантиметра не долить. К металлическим пластинам прикрепите проводники. Далее установите на края нашей емкости пластины из меди и алюминия. Они должны располагаться параллельно друг к другу. Когда все готова можно замерить с помощью вольтметра напряжение.

Подключите прибор и прикоснитесь щупами к контактам нашего источника тока. Держите и не отрывайте их пока на дисплее не высветится напряжение. Обычно оно составляет 0.5-0.7 вольт. Такие цифры показываются в зависимости от электролита. Точнее используемого вещества в его качестве.

Более детально создание батареи своими руками описано в этой статье.

Таким образом изготавливается самодельный гальванический элемент.

Batareykaa.ru

Похожие статьи:

16.2: Гальванические элементы и электроды

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Стивен Лоуэр
• Университет Саймона Фрейзера

Физически невозможно измерить разность потенциалов между куском металла и раствором, в который он погружен. Однако мы можем измерить разность между потенциалами двух электродов, погруженных в один и тот же раствор или, что более полезно, находящихся в двух разных растворах. В последнем случае каждая пара электрод-раствор образует окислительно-восстановительную полуячейку , и мы измеряем сумму двух потенциалов полуячейки .

Это устройство называется гальваническим элементом . Типичная ячейка может состоять из двух кусков металла, одного из цинка и другого из меди, каждый из которых погружен в раствор, содержащий растворенную соль соответствующего металла. Два раствора разделены пористым барьером, который предотвращает их быстрое смешивание, но позволяет ионам диффундировать.

Если мы соединим цинк и медь с помощью металлического проводника, избыточные электроны, которые останутся, когда Zn 9{2+} + Cu_{(s)}\]

, но на этот раз стадии окисления и восстановления (полуреакции) происходят в разных местах:

Электрохимические элементы позволяют измерять и контролировать окислительно-восстановительную реакцию.

Реакцию можно запустить и остановить, подключив или отсоединив два электрода. Если мы поместим в цепь переменное сопротивление, мы сможем даже контролировать скорость общей реакции клетки, просто поворачивая ручку. Подключив к двум электродам батарею или другой источник тока, мы можем заставить реакцию протекать в ее несамопроизвольном или обратном направлении. Поместив амперметр во внешнюю цепь, мы можем измерить количество электрического заряда, прошедшего через электроды, и, таким образом, количество молей реагентов, которые превращаются в продукты реакции в клетке.

Электрический заряд q измеряется в кулонах. Количество заряда, переносимого одним молем электронов, известно как Фарадея , которое мы обозначаем как F . Тщательные эксперименты определили, что 1 F = 96467 C. Для большинства целей вы можете просто использовать 96 500 кулонов в качестве значения фарадея. Когда мы измеряем электрический ток, мы измеряем скорость, с которой электрический заряд переносится по цепи. Ток в один ампер соответствует потоку в один кулон в секунду.

Перенос заряда внутри ячейки

Для работы ячейки не только должна быть внешняя электрическая цепь между двумя электродами, но и два электролита (растворы) должны находиться в контакте. Необходимость этого можно понять, если рассмотреть, что произошло бы, если бы два решения были физически разделены. Положительный заряд (в виде Zn ^{2 +} ) добавляется к электролиту в левом отсеке и снимается (в виде Cu ^{2 +} ) с правой стороны, в результате чего раствор, находящийся в контакте с цинком, приобретает суммарный положительный заряд, в то время как суммарный отрицательный заряд накапливается в растворе на медной стороне элемента. Эти нарушения электронейтральности затруднили бы (потребовали больше работы) введение дополнительных ионов Zn ^{2 +} в положительно заряженный электролит или поток электронов в правый отсек, где они необходимы для восстановления Cu ^{2 +} ионов, таким образом эффективно останавливая реакцию после того, как произошло только химически незначительное количество.

Для поддержания клеточной реакции заряд, переносимый электронами по внешней цепи, должен сопровождаться компенсирующим переносом ионов между двумя клетками. Это означает, что мы должны предоставить путь для прямого перемещения ионов из одной клетки в другую. В этом ионном транспорте участвуют не только электроактивные частицы Cu ^{2 +} и Zn ^{2 +} , а также противоионы , которые в данном примере являются нитратами, NO ₃ ^— . Таким образом, избыток Cu ^{2 +} в левом отделении может быть уменьшен за счет дрейфа этих ионов в правую сторону или с таким же успехом за счет диффузии ионов нитрата влево. Более подробные исследования показывают, что происходят оба процесса и что относительное количество заряда, переносимого через раствор положительными и отрицательными ионами, зависит от их относительного подвижности , которые выражают скорость, с которой ионы могут проходить через раствор. Поскольку отрицательные ионы имеют тенденцию быть больше, чем положительные ионы, последние, как правило, имеют более высокую подвижность и несут большую долю заряда.

В простейших ячейках барьером между двумя растворами может быть пористая мембрана, но для точных измерений используется более сложная конструкция, известная как солевой мостик . Солевой мост состоит из промежуточного отсека, заполненного концентрированным раствором KCl и снабженного пористыми барьерами на каждом конце. Цель соляного моста состоит в том, чтобы свести к минимуму естественную разность потенциалов, известную как 9.0034 потенциал соединения , который возникает (как упоминалось в предыдущем разделе), когда любые две фазы (например, два раствора) находятся в контакте. Эта разность потенциалов будет сочетаться с двумя потенциалами полуклеток, что внесет некоторую неопределенность в любое измерение потенциала клетки. С соляным мостом у нас есть два потенциала жидкостного соединения вместо одного, но они имеют тенденцию компенсировать друг друга.

Условные обозначения для описания элементов

Чтобы облегчить описание данного электрохимического элемента, были приняты специальные символические обозначения. В этих обозначениях ячейка, которую мы описали выше, будет

Zn (с) | Zn ^{2 +} (водн.) || Cu ^{2 +} (водный) | Cu (s)

Существует несколько других условных обозначений и номенклатуры ячеек, которые вы должны знать:

• Анод – место, где происходит окисление, а катод – место восстановления. В реальной ячейке идентичность электродов зависит от направления, в котором протекает суммарная клеточная реакция.
• Если электроны текут от левого электрода к правому электроду (как показано в обозначении ячейки выше), когда ячейка работает в своем спонтанном направлении, потенциал правого электрода будет выше, чем у левого, и потенциал ячейки будет будь позитивным.
• «Условный поток тока» идет от положительного к отрицательному, что противоположно направлению потока электронов. Это означает, что если электроны текут от левого электрода к правому, гальванометр, помещенный во внешнюю цепь, покажет, что ток течет справа налево.

Электроды и электродные реакции

Электродная реакция относится к чистому процессу окисления или восстановления, происходящему на электроде. Эта реакция может происходить в виде одной стадии переноса электрона или в виде последовательности двух или более стадий. Вещества, которые принимают и теряют электроны, называются электроактивными частицами.

Рис. 4: Перенос электронов на аноде

Этот процесс происходит в очень тонкой межфазной области на поверхности электрода и включает квантово-механическое туннелирование электронов между электродом и электроактивными частицами. Работа, необходимая для перемещения H ₂ молекул О в гидратных сферах ионов составляет часть энергии активации процесса. {3+}\). Если ни один из электроактивных частиц не является металлом, какой-то другой металл должен служить проводником для доставки или удаления электронов из системы. Чтобы избежать осложнений, которые могут возникнуть при электродных реакциях с участием этого металла, обычно используют относительно инертное вещество, такое как платина. Такая полуячейка будет представлена ​​как 9-\]

Реакция происходит на поверхности электрода (рис. 4 выше). Электроактивный ион диффундирует к поверхности электрода и адсорбируется (прикрепляется) к ней за счет сил Ван-дер-Ваальса и Кулона. При этом гидратные воды, которые обычно связаны с любыми ионными частицами, должны быть вытеснены. Этот процесс всегда эндотермичен, иногда до такой степени, что только небольшая часть ионов может контактировать с поверхностью достаточно близко, чтобы осуществить перенос электрона, и реакция будет медленной. Фактический перенос электрона происходит посредством квантово-механического туннелирования. 9– (водный) | AgCl (с) | Ag (s)\]

Хотя полезность такого электрода может быть не очевидна сразу, этот тип электрода находит очень широкое применение в электрохимических измерениях, как мы увидим позже.

Электроды сравнения

В большинстве электрохимических экспериментов наш интерес сосредоточен только на одной из электродных реакций. Поскольку все измерения должны проводиться на полной ячейке, включающей две системы электродов, общепринятой практикой является использование электрода сравнения 9.0035 как другая половина ячейки. Основные требования к электроду сравнения заключаются в том, чтобы его было легко изготовить и обслуживать, а также чтобы его потенциал был стабильным. Последнее требование по существу означает, что концентрация любых ионных частиц, участвующих в электродной реакции, должна поддерживаться на фиксированном уровне. Наиболее распространенным способом достижения этого является использование электродной реакции с участием насыщенного раствора нерастворимой соли иона. Об одной такой системе, хлорсеребряном электроде, уже упоминалось: 9–\]

Этот электрод обычно имеет форму куска серебряной проволоки, покрытой AgCl. Покрытие делается путем превращения серебра в анод в электролитической ячейке, содержащей HCl; ионы Ag ⁺ соединяются с ионами Cl ^– по мере их образования на поверхности серебра.

Другим распространенным электродом сравнения является каломельный электрод ; каломель — это общее название хлорида ртути (I). Такая полуячейка будет представлена ​​как 9–\]

Потенциалы обоих этих электродов были очень точно определены относительно водородного электрода. Последний редко используется в рутинных электрохимических измерениях, поскольку его сложнее приготовить; поверхность платины должна быть специально обработана предварительным электролизом. Кроме того, существует потребность в подаче газообразного водорода, что делает его несколько громоздким и опасным.

Резюме и дополнительные примечания

Убедитесь, что вы полностью поняли следующие важные идеи, представленные выше. Особенно важно, чтобы вы знали точное значение всех выделенных терминов в контексте этой темы.

• Гальванический элемент (иногда более уместно называемый гальваническим элементом ) состоит из двух полуэлементов , соединенных солевым мостиком или некоторым другим путем, который позволяет ионам проходить между двумя сторонами для поддерживать электронейтральность .
• Обычный способ представления любого электрохимического элемента состоит в том, чтобы записать полуреакцию окисления слева и восстановление справа. Таким образом, для реакции

Zn (s) + Cu ^{2 +} → Zn ^{2 +} + Cu (s)

we write

Zn (s) | Zn ^{2 +} (водн.) || Cu ^{2 +} (водный) | Cu (s)

, в котором одиночные вертикальные полосы представляют фазовых границ . Двойная черта обозначает границу жидкость-жидкость , которая в лабораторных ячейках состоит из солевого мостика или барьера, проницаемого для ионов. Если бы результирующая реакция ячейки была записана в обратном порядке, запись ячейки стала бы

Cu (с) | Cu ^{2 +} (водн.) || Zn ²⁺ (водн. ) | Zn (s)

Помните: R процесс образования всегда отображается на R лайт .

на поверхности электрода. Энергия, необходимая для вытеснения молекул воды из гидратной оболочки иона по мере его приближения к поверхности электрода, составляет энергии активации , что может замедлить процесс. Еще большие энергии активации (и более медленные реакции) возникают при образовании или потреблении такой молекулы, как O ₂ .

Эта страница под названием 16.2: Гальванические элементы и электроды распространяется под лицензией CC BY 3.0 и была создана, изменена и/или курирована Стивеном Лоуэром с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Стивен Лоуэр

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   3,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   1. источник@http://www.chem1.com/acad/webtext/virtualtextbook.html

17.6: Электрохимические элементы как элементы схемы

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Пол Эллген
• Математическая школа Оклахомы

Предположим, мы используем провод для соединения клемм ячейки, состоящей из полуэлемента с ионами серебра и серебра и полуэлемента с ионами меди и меди. Затем этот провод образует внешнюю цепь, путь, по которому следуют электроны, когда внутри клетки происходят химические изменения. Когда внешняя цепь представляет собой просто провод с низким сопротивлением, ячейка замыкается накоротко. Внешняя схема может быть более сложной. Например, когда мы хотим узнать направление потока электронов, мы включаем гальванометр.

Если должна произойти реакция между ионами серебра и металлической медью, электроны должны пройти через внешнюю цепь от медного вывода к серебряному. Электрон, который может свободно двигаться при наличии электрического потенциала, должен двигаться от области более отрицательного электрического потенциала к области более положительного электрического потенциала. Поскольку поток электронов направлен от медной клеммы к серебряной клемме, медная клемма должна быть электрически отрицательной, а серебряная клемма должна быть электрически положительной. Очевидно, если мы знаем химическую реакцию, происходящую в электрической ячейке, мы можем сразу вывести направление потока электронов во внешней цепи. Зная направление потока электронов во внешней цепи, мы сразу можем сказать, какой из них отрицательный, а какой положительный.

Верно и обратное. Если мы знаем, какая клемма ячейки положительна, мы знаем, что электроны во внешней цепи текут к этой клемме. Даже если мы ничего не знаем о составе ячейки, тот факт, что электроны текут к определенному выводу, говорит нам о том, что реакция, происходящая в этой полуячейке, представляет собой реакцию, в которой частицы раствора или материал электрода поглощают электроны. То есть в полуклетке, потенциал которой положителен, восстанавливается некоторое химическое соединение. Может случиться так, что мы знаем, какая полуреакция происходит в данной полуклетке, но не знаем, в каком направлении идет реакция. Например, если мы заменим полуэлемент с ионами серебра на аналогичный элемент, содержащий водный раствор нитрата цинка и цинковый электрод, мы уверены, что реакция полуэлемента будет равной 9{0}}\]

Удобно иметь имена для выводов гальванического элемента. Согласно одному соглашению об именах, одну клемму называют анодом , а другую клемму катодом . Определение состоит в том, что катод — это электрод, на котором восстанавливаются реагирующие частицы. В ячейке, содержащей ионы серебра, серебряный электрод является катодом. В ячейке, содержащей ионы цинка, медный электрод является катодом. В этих ячейках катод является электрически положительным электродом. Важной особенностью этих опытов является то, что направление электрического потенциала во внешней цепи устанавливается реакциями, которые спонтанно протекают в клетках. Клетки являются источниками электрического тока. Клетки, производящие ток, называются 9.0040 гальванические ячейки.

Эта страница под названием 17.6: Electrochemical Cells as Circuit Elements используется в соответствии с лицензией CC BY-SA 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Полом Эллгеном посредством исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts. ; подробная история редактирования доступна по запросу.