- Детали гальванического элемента
- Функционирование
- Реакции окисления и восстановления
- Соляной мост
- Потенциалы окисления и восстановления
- Символическое изображение гальванического элемента
- Приложения
- Гальванический элемент в повседневной жизни
- Строительство самодельного гальванического элемента
- материалы
- Обработать
- Ссылки
Гальванический элемент или гальванический элемент представляет собой тип гальванического элемента , который состоит из двух различных металлов , погруженных в две половины клеток, в которых соединение в растворе активирует спонтанную реакцию.
Затем один из металлов в одной полуячейке окисляется, а металл в другой половине ячейки восстанавливается, производя обмен электронами через внешнюю цепь. Это дает возможность использовать электрический ток.
Рисунок 1. Схема и детали гальванического элемента. Источник: corinto.pucp.edu.pe.
Название «гальванический элемент» получено в честь одного из пионеров экспериментов с электричеством: итальянского врача и физиолога Луиджи Гальвани (1737-1798).
В 1780 году Гальвани обнаружил, что если кабели из разнородных металлов соединить одним концом, а свободные концы привести в контакт с бедром (мертвой) лягушки, то произойдет сжатие.
Однако первым, кто построил электрохимический элемент для производства электричества, был итальянец Алессандро Вольта (1745-1827) в 1800 году, отсюда и альтернативное название гальванического элемента.
Детали гальванического элемента
Детали гальванического элемента показаны на рисунке 1 и следующие:
1.- Анодная полуклетка
2.- Анодный электрод
3.- Анодный раствор
4.- Катодная полуклетка
5.- Катодный электрод
6.- Катодный раствор
7.- Солевой мостик
8.- Металлический проводник
9.- Вольтметр
Функционирование
Для объяснения работы гальванического элемента воспользуемся нижним:
Рисунок 2. Дидактическая модель гальванического элемента. Источник: slideserve.com
Фундаментальная идея гальванического элемента состоит в том, что металл, который подвергается реакции окисления, физически отделен от металла, который восстанавливается, таким образом, что обмен электронами происходит через внешний проводник, который позволяет использовать поток электрического тока, например для включения лампочки или светодиода.
На рисунке 2 в левом полуячейке находится лента из металлической меди (Cu), погруженная в раствор сульфата меди (CuS0 4 ), а в правом полуячейке - лента из цинка (Zn), погруженная в раствор. раствор сульфата цинка (ZnSO 4 ).
Следует отметить, что в каждой половине ячейки металл каждой из них присутствует в двух степенях окисления: нейтральные атомы металла и ионы металла соли того же металла в растворе.
Если металлические ленты не соединены внешним проводящим проводом, то оба металла окисляются отдельно в своих соответствующих ячейках.
Однако, поскольку они электрически соединены, случается, что окисление будет происходить в Zn, в то время как в Cu будет происходить реакция восстановления. Это связано с тем, что степень окисления цинка выше, чем у меди.
Металл, который окисляется, отдает электроны металлу, который восстанавливается через внешний проводник, и этот поток тока можно использовать.
Реакции окисления и восстановления
Реакция, которая происходит справа между металлическим цинковым электродом и водным раствором сульфата цинка, выглядит следующим образом:
Zn o (s) + Zn 2+ (SO 4 ) 2- → 2 Zn 2+ (ac) + (SO 4 ) 2- + 2 e -
Атом цинка (твердый) на поверхности анодного электрода в правой половине ячейки, стимулированный положительными ионами цинка в растворе, отдает два электрона и отделяется от электрода, переходя в водный раствор как двойной положительный ион цинк.
Мы понимаем, что в конечном итоге нейтральный атом цинка из металла из-за потери двух электронов превратился в ион цинка, который добавляется к водному раствору, так что цинковый стержень потерял один атом, а раствор приобрел положительный двойной ион.
Освободившиеся электроны предпочтут двигаться через внешний провод к металлу другой положительно заряженной полуячейки (катод +). Цинковый брусок теряет массу, поскольку его атомы постепенно переходят в водный раствор.
Окисление цинка можно резюмировать следующим образом:
Zn o (s) → Zn 2+ (ac) + 2 e -
Реакция, которая происходит на левой стороне, аналогична, но медь в водном растворе захватывает два электрона (из другой половины ячейки) и осаждается на медном электроде. Когда атом захватывает электроны, он сокращается.
Реакция восстановления меди записывается так:
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu o (т)
Медный стержень набирает массу, поскольку ионы раствора переходят к стержню.
Окисление происходит на аноде (отрицательном), который отталкивает электроны, в то время как восстановление происходит на катоде (положительном), который притягивает электроны. Электронный обмен происходит через внешний проводник.
Соляной мост
Солевой мостик уравновешивает заряды, которые накапливаются в двух половинных ячейках. Положительные ионы накапливаются в анодной полуячейке, тогда как в катодной ячейке остается избыток отрицательных сульфат-ионов.
Для солевого мостика используется раствор соли (например, хлорида натрия или хлорида калия), который не вмешивается в реакцию, который находится в перевернутой U-образной трубке, концы которой закупорены стенкой из пористого материала.
Единственная цель солевого мостика - фильтрация ионов в каждую ячейку, уравновешивание или нейтрализация избыточного заряда. Таким образом, через солевой мостик через солевые ионы возникает электрический ток, замыкающий электрическую цепь.
Потенциалы окисления и восстановления
Под стандартными потенциалами окисления и восстановления понимаются те, которые возникают на аноде и катоде при температуре 25ºC и с растворами с концентрацией 1M (один молярный).
Для цинка его стандартный потенциал окисления составляет E ox = +0,76 В. В то время как стандартный потенциал восстановления для меди составляет E red = +0,34 В. Электродвижущая сила (ЭДС), создаваемая этим гальваническим элементом, равна : ЭДС = +0,76 В + 0,34 В = 1,1 В.
Глобальную реакцию гальванического элемента можно записать так:
Zn o (s) + Cu 2+ (водн.) → Zn 2+ (водн.) + Cu o (s)
С учетом сульфата чистая реакция:
Zn , O (ы) + Cu 2+ (SO 4 ) 2- 25ºC → Zn 2+ (SO 4 ) 2 + Cu O (ы)
Сульфат - сторонний наблюдатель, а металлы обмениваются электронами.
Символическое изображение гальванического элемента
Гальванический элемент на рисунке 2 условно представлен следующим образом:
Zn o (s) -Zn 2+ (водн.) (1M) - Cu 2+ (водн.) (1M) -Cu o (s)
Традиционно металл, который окисляется и образует анод (-), всегда располагается слева, а его ион в водном состоянии отделен полосой (-). Анодная полуячейка отделена от катодной двумя полосами (-), представляющими солевой мостик. Справа расположена уменьшенная металлическая полуячейка, образующая катод (+).
В символическом представлении гальванического элемента крайний левый край всегда представляет собой окисленный металл, а металл, который восстанавливается, помещается в крайнее правое положение (в твердом состоянии). Следует отметить, что на фиг. 2 половинные ячейки находятся в обратном положении по отношению к традиционному символическому представлению.
Приложения
Зная стандартные потенциалы окисления различных металлов, можно определить электродвижущую силу, которую будет производить гальванический элемент, построенный из этих металлов.
В этом разделе мы применим то, что было сказано в предыдущих разделах, для расчета чистой электродвижущей силы элемента, построенного из других металлов.
В качестве примера применения рассмотрим гальванический элемент из железа (Fe) и меди (Cu). В качестве данных приведены следующие реакции восстановления и их стандартный восстановительный потенциал, то есть при 25ºC и концентрации 1M:
Fe 2+ (ac) + 2 e - → Fe (s). Сеть E1 = -0,44 В
Cu 2+ (ac) + 2 e - → Cu (s). E2 красный = +0,34 В
Требуется найти чистую электродвижущую силу, создаваемую следующим гальваническим элементом:
Fe (s) -Fe 2+ (водн.) (1M) - Cu 2+ (водн.) -Cu (s)
В этом элементе железо окисляется и является анодом гальванического элемента, тогда как медь восстанавливает и является катодом. Потенциал окисления железа равен его восстановительному потенциалу, но противоположен ему, то есть E1 oxd = +0,44.
Чтобы получить электродвижущую силу, создаваемую этим гальваническим элементом, мы добавляем окислительный потенциал железа к восстановительному потенциалу меди:
ЭДС = E1 oxd + E2 красный = -E1 красный + E2 красный = 0,44 В + 0,34 В = 0,78 В.
Гальванический элемент в повседневной жизни
Гальванические элементы для повседневного использования очень отличаются по форме от того, что используется в качестве дидактической модели, но принцип их действия тот же.
Наиболее часто используемый элемент - это щелочная батарея на 1,5 В в различных формах. Первое название происходит потому, что это набор ячеек, соединенных последовательно для увеличения ЭДС.
Литиевые аккумуляторные батареи также основаны на том же принципе работы, что и гальванические элементы, и используются в смартфонах, часах и других устройствах.
Таким же образом свинцовые аккумуляторы для автомобилей, мотоциклов и лодок рассчитаны на 12 В и основаны на том же принципе действия, что и гальванический элемент.
Гальванические элементы используются в эстетике и регенерации мышц. Существуют процедуры для лица, которые состоят в подаче тока через два электрода в форме валика или сферы, которые очищают и тонизируют кожу.
Импульсы тока также применяются для регенерации мышц у людей, находящихся в состоянии прострации.
Строительство самодельного гальванического элемента
Есть много способов построить самодельный гальванический элемент. Один из самых простых - использовать уксус в качестве раствора, стальные гвозди и медную проволоку.
материалы
-Одноразовые пластиковые стаканчики
-Белый уксус
-Два стальных винта
-Два куска неизолированного медного провода (без изоляции и лака)
-Вольтметр
Обработать
-Наполните ¾ части стакана уксусом.
-Соедините два стальных винта с несколькими витками проволоки, оставив кусок проволоки размотанным.
Размотанный конец медной проволоки сгибают в форме перевернутой буквы U, так чтобы он опирался на край стекла, а винты были погружены в уксус.
Рисунок 3. Самодельные гальванический элемент и мультиметр. Источник: youtube.com
Другой кусок медной проволоки также согнут в виде перевернутой буквы U и навешивается на край стекла в положении, диаметрально противоположном погруженным винтам, так что одна часть меди остается внутри уксуса, а другая часть медной проволоки - снаружи. из стекла.
Свободные концы выводов вольтметра подключаются для измерения электродвижущей силы, создаваемой этой простой ячейкой. ЭДС этого типа ячеек составляет 0,5 В. Чтобы выровнять ЭДС щелочной батареи, необходимо построить еще две ячейки и соединить три последовательно, так что получится батарея 1,5 В.
Ссылки
- Борнео, Р. Гальванические и электролитические элементы. Получено с: classdequimica.blogspot.com
- Седрон, Дж. Общая химия. PUCP. Получено с: corinto.pucp.edu.pe
- Фаррера, Л. Введение в электрохимию. Кафедра физико-химии УНАМ. Получено с: depa.fquim.unam.mx.
- Wikipedia. Электрохимическая ячейка. Получено с: es.wikipedia.com.
- Wikipedia. Гальванический элемент. Получено с: es.wikipedia.com.