Галваничен елемент

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

История

През 1780 г. 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

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

• Електродът, на който протича окислението, 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 редукцията, 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

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) на галваничния елемент. В другата половина на съда се налива разтвор на ZnSO₄ и се потапя цинков електрод. Той е отрицателният 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 = −0,76 V)

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (E = +0,34 V)

или сумарно:

Cu²⁺ + Zn → Cu + Zn²⁺

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

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

Въглерод-цинковият елемент е създаден през 1866 г. от Лекланше. Положителният полюс е от въглерод, покрит с манганов диоксид (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 диоксид:

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

• Горивна клетка
• Акумулатор
• Батерия