Галваничен елемент

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене

Галваничният елемент е химичен източник на електроенергия, в които възниква електродвижещо напрежение и протича електрически ток в резултат на химична реакция. Наречен е на името на откривателя си Луиджи Галвани.

История[редактиране | edit source]

През 1780 Луиджи Галвани открил, че когато два различни метала - например мед и цинк - бъдат допрени и след това с тях се докоснат едновременно различни участъци от нерва на крак от жаба, той се свива. Галвани нарича ефекта биоелектричество. След това се създава галваничният елемент, който представлява най-общо електрическа верига от два различни метала, чиито противоположни краища са потопени в солен разтвор. Електрическата батерия, изобретена по-късно от Алесандро Волта има подобен принцип на действие и представлява поредица от галванични елементи.

Терминология[редактиране | edit source]

Galvanic cell with no cation flow.png

При описване на галваничните елементи се ползва химическа терминология, която може да обърка човек с електротехническо образование:

  • Електродът, на който протича окисление, се нарича анод. Това е електродът, който отделя в електролита положителни йони, а електроните подава по веригата. Анодът е отрицателният извод на елемента.
  • Електродът, на който протича редукция, се нарича катод. Там положителните йони се отлагат като атоми, като за целта по веригата получават електрони. Катодът е положителният извод на галваничния елемент.

Прието е в схемите анодът да се чертае вляво, а катодът вдясно.

Принцип на действие[редактиране | edit source]

Един от първите галванични елементи е елементът на Даниел-Якоби. Той се състои от стъклен съд, разделен на две половини от пореста преграда. В едната част на съда се съдържа разтвор на CuSO4. 5H2O, (син камък) в който е потопен меден електрод. Той е положителният електрод (катодът - виж предната точка) на галваничния елемент. В другата половина на съда се налива разтвор на ZnSO4 и се потапя цинков електрод. Той е отрицателния електрод (анодът) на елемента. Двата електрода се наричат полюси.

Металите на двата електрода се разтварят в електролита с различна скорост като при това електродите се зареждат електрически, но до различна степен. Това поражда различен потенциал върху двата електрода и ако те бъдат съединени директно или с проводник, протича електрически ток.

На двата електрода се извършват съответно окисление и редукция по реакциите:

Zn - 2e → Zn2+ (E = −0,76V)
Cu2+ + 2e → Cu (E = +0,34V)

или сумарно:

Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+

а електрическият потенциал е 0,34V −(−0,76V) = 1,10V

Вследствие тези реакции йони от цинка на анода се отделят в електролита, а върху катода се отделя мед от синия камък. По този начин анодът постепенно се консумира или корозира, а синият камък отделя съдържащата се в него мед. Ако нямаше пореста преграда, медта щеше да се отдели върху цинка до пълното му помедняване и напрежение нямаше да има.

Видове[редактиране | edit source]

Въглерод-цинковият елемент е създаден през 1866 г. от Лекланше. Положителният полюс е от въглерод, покрит с манганов двуокис (MnO2), а отрицателният – от цинк. Електролитът е нишадър (NH4Cl), който обикновено се пропива в пясък. При работа с елемента се извършват обикновено процесите:

  • на отрицателния полюс
    Zn → Zn2+ + 2e-;
  • на положителния полюс
    2MnO2 + 2H2O + 2e- → 2MnO(OH) + 2OH-;
  • в електролита
    Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl + 2OH- → Zn(NH3)2Cl2 + H2O
  • или сумарно
    Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Zn(NH3)2Cl2 + 2MnO(OH),

т.е. електрическата енергия се получава за сметка на окислението на цинка от пиролузита.

Живачният галваничен елемент има цинкова амалгама на отрицателния полюс, а положителният полюс е от живачен(II)оксид. Електролитът е концентрирана калиева основа (КОН). При работа с елемента протичат процесите:

  • на отрицателния полюс
    Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2e-
  • на положителния полюс
    HgO + H2O + 2e- → Hg + 2OH-
  • или сумарно
    Zn + HgO → Hg + ZnO

В този случай цинкът се окислява от живачния оксид.

Цинкът е отрицателен полюс и при алкално-мангановия галваничен елемент. Отново окислително-редукционният процес е взаимодействието на цинка с манганов двуокис:

Zn + 2MnO2 → ZnO + Mn2O3.

Тук обаче условията за взаимодействие и крайните продукти са различни от елемента на Лекланше. Електролит е калиева основа (КОН), а положителният полюс – пресован графит и MnO2. На електродите се извършват процесите:

  • на отрицателния полюс
    Zn + 2OH- → ZnO + H2O + 2e-
  • на положителния полюс
    2MnO2 + H2O + 2e- → Mn2O3 +2OH-.

Вижте още[редактиране | edit source]