Устройство и работа гальванического элемента

Гальванический элемент - это устройство, состоящее из двух или более электродов, соединенных между собой.

ХИЭЭ – химический источник электроэнергии (гальванический элемент).

В гальваническом элементе все время происходит нарушение равновесия данной реакции.

Гальванический элемент Якоби - Даниэля состоит из двух металлов с различными электродными потенциалами, например, меди и цинка. Электроды соединены между собой двояко. Металлические электроды соединены между собой металлическим проводником, а солевые растворы соединены либо полупроницаемой мембраной (рисунок), либо электролитическим ключом (рисунок).

Электролитический ключ проводит анионы. Таким образом, в гальваническом элементе двоякая проводимость: электронная и ионная. Анодом является активный металл, катодом – пассивный.

Чем меньше алгебраическая величина электродного потенциала, тем более активным является металл. В данном гальваническом элементе по соотношению потенциалов цинковый электрод является анодом, а медный - катодом.

Анод окисляется:

 

Освободившиеся электроны с анода переходят на катод, а ионы уходят в раствор. Ионы меди из солевого раствора подходят к металлу и здесь восстанавливаются:

Избыток анионов из катодного солевого раствора в силу диффузии по электролитическому ключу переходит в катодный раствор, замыкая цепь.

Во внутренней цепи гальванического элемента возникает электроток. Окислительно - восстановительная реакция

является причиной возникновения электротока. Кроме того, гальванический элемента обладает ЭДС, которая представляет собой разность между катодным и анодным потенциалами:

Электрохимическая схема гальванического элемента

Недостатки элемента Якоби- Даниэля:

• малая Э Д С,
• разрушаемый анод.

 

Водородный электрод сравнения

Водородный электрод сравнения удобен тем, что стандартный электродный потенциал водорода равен нулю

φ⁰_2H+|_H2= 0,00В.

Водородный электрод представляет собой сосуд, в котором находится H₂SO₄ с концентрацией [H⁺] = 1 моль/л.

Электрод выполняется из платины, которая сверху покрыта слоем рыхлой платины. Платина, особенно рыхлая, является прекрасным адсорбентом газообразного водорода.

Извне в этот сосуд подается газообразный водород под давлением в 1атм. Платиновый электрод поглощает водород и практически становится водородным электродом.

Электроды сравнения необходимы по той причине, что не существует методов непосредственного измерения электродных потенциалов. Возможно только измерение ЭДС гальванического элемента и вычисление неизвестного потенциала по известному.

Электрод сравнения соединяется в гальванический элемент с электродом из того металла, потенциал которого необходимо измерить, (рисунок).

Измерение ЭДС данного гальванического элемента производится компенсационным методом.

Схема включает в себя реохорд, рис.3.

Рис.3

Реохорд - длинная деревянная линейка, по краям которой находятся металлические зажимы, между зажимами туго натянута стальная струна определенного сопротивления. По струне перемещается металлический движок. В схему включены аккумулятор и гальванометр. Движок реохорда перемещают до тех пор, пока стрелка гальванометра не остановится на нуле. Это - состояние компенсации, для которого справедливо соотношение:

,

где

ЭДС_акк- ЭДС аккумулятора,

ЭДСг/эл - ЭДС гальванического элемента,

AB - длина линейки,

AC - расстояние до движка (состояние компенсации).

Концентрационные гальванические элементы

Особенностью концентрационного гальванического элемента, рис.4, является то, что оба электрода выполнены из одного и того же метала.

Рис.4

Эти электроды отличаются друг от друга только концентрациями солевых растворов.

(По формуле Нерста) рассчитаем ЭДС концентрационного элемента.

 

Недостатки концентрационных гальванических элементов:

• разрушаемый анод,
• малая ЭДС.

Концентрационные элементы используются в тех случаях, где необходима малая ЭДС.

 

Окислительно - восстановительные (ОВ) гальванические элементы

Особенностью данных элементов является то, что окислительно - восстановительный процесс протекает только в растворах. Оба электрода являются инертными, или пассивными, т.е. сами они не принимают участия в ОВ процессах, а выполняют роль проводников электронов.

Топливные элементы (ТЭ)

Электрохимические реакции очень медленные. Для ускорения процессов
советский инженер Давтян предложил ввести в окислительно – восстановительные гальванические элементы катализаторы.

Суть топливных элементов заключается в том, что электроды являются одновременно и катализаторами. Топливо, т.е. восстановитель и окислитель, хранится вне гальванических элементов и подаётся на электроды по мере необходимости, рис.5.

Рис.5

Электроды выполняются из пористого Ni или пористой Pt, то есть тех металлов, которые являются катализаторами электродных процессов. В качестве электролита используется раствор гидроксида калия.

Схема кислородно- водородного ТЭ может быть записана в виде:

.

На аноде элемента протекает реакция окисления водорода:

.

На катоде восстанавливается кислород:

.

Суммированием анодной и катодной реакций получаем уравнение токообразующей реакции:

,

в результате которой химическая энергия непосредственно превращается в электрическую.

Пример применения топливных элементов - использование их в мобильниках фирмы Toshiba.