Галваничен елемент
За информацията в тази статия или раздел не са посочени източници. Въпросната информация може да е непълна, неточна или изцяло невярна. Имайте предвид, че това може да стане причина за изтриването на цялата статия или раздел. |
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[редактиране | редактиране на кода]
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[редактиране | редактиране на кода]
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[редактиране | редактиране на кода]
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[редактиране | редактиране на кода]
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-.