Galvanic cell: circuit, prinsipyo ng operasyon, aplikasyon. Mga kemikal na pinagmumulan ng electric current
Bilang karagdagan sa electrolysis, ang isa pang pagpipilian para sa paglitaw ng isang redox reaksyon ay posible. Sa kasong ito, ang mga electron mula sa reducing agent hanggang sa oxidizing agent ay dumadaan sa isang metal conductor sa pamamagitan ng panlabas na electrical circuit. Bilang isang resulta, ang isang electric kasalukuyang arises sa panlabas na circuit, at tulad ng isang aparato ay tinatawag na elementong galbaniko. Ang mga galvanic cells ay kasalukuyang pinagmumulan ng kemikal- mga aparato para sa direktang conversion ng kemikal na enerhiya sa elektrikal na enerhiya, na lumalampas sa iba pang mga anyo nito.
Ang mga galvanic cell na batay sa iba't ibang mga metal at ang kanilang mga compound ay natagpuan ang malawak na aplikasyon praktikal na gamit bilang mga mapagkukunan ng kasalukuyang kemikal.
Sa isang galvanic cell, ang kemikal na enerhiya ay na-convert sa elektrikal na enerhiya. Ang pinakasimpleng galvanic cell ay binubuo ng dalawang sisidlan na may mga solusyon ng CuSO 4 at ZnSO 4, kung saan ang mga plato ng tanso at sink ay nahuhulog, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga sisidlan ay konektado sa isa't isa sa pamamagitan ng isang tubo na tinatawag na salt bridge, na puno ng isang electrolyte solution (halimbawa, KCl). Ang ganitong sistema ay tinatawag tanso-sinc galvanic cell.
Sa eskematiko, ang mga prosesong nagaganap sa isang tansong-zinc na galvanic cell o, sa madaling salita, ang diagram ng isang galvanic cell ay ipinakita sa figure sa ibaba.
Galvanic cell diagram
Ang proseso ng zinc oxidation ay nangyayari sa anode:
Zn - 2e - = Zn 2+.
Bilang resulta nito, ang mga atomo ng zinc ay na-convert sa mga ions, na napupunta sa solusyon, at ang zinc anode ay natutunaw at ang masa nito ay bumababa. Tandaan na ang anode sa isang galvanic cell ay ang negatibong elektrod (dahil sa mga electron na nakuha mula sa mga atomo ng zinc) kumpara sa proseso ng electrolysis kung saan ito ay konektado sa positibong terminal ng panlabas na baterya.
Ang mga electron mula sa mga atom ng zinc ay gumagalaw sa isang panlabas na de-koryenteng circuit (metal conductor) patungo sa cathode, kung saan nagaganap ang proseso ng pagbabawas ng mga ion ng tanso mula sa isang solusyon ng asin nito:
Cu 2+ + 2е – = Cu.
Bilang isang resulta, ang mga atomo ng tanso ay nabuo, na idineposito sa ibabaw ng katod, at tumataas ang masa nito. Ang katod sa isang galvanic cell ay isang positibong sisingilin na elektrod.
Ang pangkalahatang equation para sa reaksyon na nagaganap sa isang tansong-zinc galvanic cell ay maaaring katawanin bilang mga sumusunod:
Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu.
Sa katunayan, ang reaksyon ng pagpapalit ng tanso ng zinc sa asin nito ay nangyayari. Ang parehong reaksyon ay maaaring isagawa sa ibang paraan - isawsaw ang isang zinc plate sa isang solusyon ng CuSO 4. Sa kasong ito, ang parehong mga produkto ay nabuo - tanso at sink ions. Ngunit ang pagkakaiba sa pagitan ng reaksyon sa isang copper-zinc galvanic cell ay ang mga proseso ng pagkawala ng electron at gain ay spatially separated. Ang mga proseso ng paglabas ng elektron (oksihenasyon) at pagdaragdag (pagbawas) ng mga electron ay hindi nangyayari sa direktang pakikipag-ugnay ng Zn atom na may Cu 2+ ion, ngunit sa iba't ibang mga lugar sa system - ayon sa pagkakabanggit, sa anode at cathode, na kung saan ay konektado sa pamamagitan ng isang metal na konduktor. Sa pamamaraang ito ng pagsasagawa ng reaksyong ito, ang mga electron ay lumipat mula sa anode patungo sa katod kasama ang isang panlabas na circuit, na isang metal conductor. Ang isang nakadirekta at nakaayos na daloy ng mga sisingilin na particle (sa kasong ito ay mga electron). kuryente. Ang isang electric current ay lumitaw sa panlabas na circuit ng galvanic cell. Kailangan mong paganahin ang JavaScript para bumoto
Mga mapagkukunan ng kemikal agos ng kuryente o galvanic cells i-convert ang enerhiya na inilabas sa panahon ng redox reactions sa electrical energy. Ang mga galvanic cell ay nagsisilbing pinagmumulan ng direktang kasalukuyang. Sila ay nahahati sa kemikal At konsentrasyon.
Ang pinakasimpleng kemikal na galvanic cell ay maaaring binubuo ng dalawang metal electrodes na may magkakaibang mga potensyal na elektrod at konektado sa isang closed circuit.
Sa elektrod na may mas mababang potensyal na elektrod, magaganap ang proseso ng oksihenasyon. Iba ang tawag sa elektrod na ito anode.
Sa elektrod na may mas mataas na potensyal na halaga ng elektrod, magaganap ang proseso ng pagbabawas. Iba ang tawag sa elektrod na ito katod.
Isaalang-alang natin nang mas detalyado ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga galvanic cells gamit ang halimbawa ng isang elemento na binubuo ng zinc at copper electrodes. Iba ang tawag sa elementong ito Elemento ni Jacobi-Daniel (Larawan 94).
kanin. 94. Scheme ng isang copper-zinc galvanic cell
Ang bawat elektrod ay binubuo ng isang metal plate na nahuhulog sa isang solusyon ng asin: ZnSO 4 at CuSO 4, ayon sa pagkakabanggit.
Ang mga solusyon sa asin ay pinaghihiwalay sa bawat isa sa pamamagitan ng isang buhaghag na partisyon, kung saan ang mga metal ions at SO 4 2- ay madaling makapasa. Kadalasan, sa halip na isang buhaghag na partisyon, " tulay ng asin » – isang curved glass tube na puno ng saturated KCl solution (Fig. 95). Sa kasong ito, ang mga electrodes ay hindi nakikipag-ugnay sa bawat isa, ang bawat isa sa kanila ay nasa isang hiwalay na sisidlan, na konektado gamit ang isang tulay ng asin.
kanin. 95. Diagram ng isang elemento ng tanso-sinc na may tulay ng asin: 1 - zinc plate; 2 - plato ng tanso; 3 – tulay ng asin
Sa kasong ito, ang isang proseso ng oksihenasyon ay nangyayari sa zinc electrode:
Zn 0 – 2ē = Zn 2+,
bilang isang resulta kung saan ang mga zinc ions mula sa plato ay pumasa sa solusyon. Ang sobrang mga electron ay dumadaan sa metal conductor mula sa zinc plate patungo sa copper plate at binabawasan ang mga Cu 2+ ions na nakapaloob sa solusyon.
Cu 2+ + 2ē = Cu 0,
na tumira sa plato sa anyo ng mga neutral na atomo. Ang natitirang libreng sulfate ions ng copper electrode at ang sobrang Zn 2+ ions ng zinc electrode ay gumagalaw patungo sa isa't isa sa pamamagitan ng porous partition o salt bridge. Kaya, ang mga singil sa kuryente ay inililipat sa circuit at lumitaw ang isang electric current.
Sa elementong ito, nakukuha ang elektrikal na enerhiya bilang resulta ng isang kemikal na reaksyon.
Zn + CuSO 4 = Cu + ZnSO 4
Ang pangunahing katangian ng isang galvanic cell ay electromotive force (emf) , kung saan nakasalalay ang kasalukuyang lakas sa circuit. Ito ay katumbas ng potensyal na pagkakaiba ng elektrod
e.m.f. = E 2 – E 1
kung saan ang E 1 at E 2 ay ang potensyal ng anode at cathode, ayon sa pagkakabanggit.
Para sa isang Jacobi-Daniel galvanic cell, ang electromotive force ay
e.m.f. = E Cu – E Zn
Mas mataas ang halaga ng emf. elemento, mas malaki ang kasalukuyang sa circuit nito.
Ayon sa Nernst equation, ang potensyal ng tanso at zinc electrodes ay kinakalkula gamit ang mga formula:
E Cu = E Cu 0 +
E Zn = E Zn 0 +
Ang pagbabawas ng pangalawang equation mula sa una ay nakakakuha tayo ng expression para sa pagkalkula ng emf. tanso-sinc galvanic cell
e.m.f. = E Cu 0 – E Zn 0 + =
E Cu 0 – E Zn 0 +
Para sa anumang iba pang elemento na binubuo ng dalawang metal electrodes, at kung saan ang operasyon ay batay sa isang kemikal na reaksyon, ang electromotive force ay maaaring kalkulahin gamit ang formula:
e.m.f. = E 2 0 – E 1 0 +
kung saan ang E 2 0 at E 1 0 ay ang mga karaniwang potensyal ng elektrod ng katod at anode, ayon sa pagkakabanggit; n 2 at n 1 - ang mga halaga ng mga singil ng mga ion na nakikilahok sa mga kalahating reaksyon na nangyayari sa katod at anode; a 2 at 1 - mga aktibidad ng mga metal ions sa mga solusyon sa cathode at anode, ayon sa pagkakabanggit).
Para sa isang temperatura ng 298K, kapag pinapalitan ang mga halaga ng mga constants R at F at kapag lumilipat mula sa natural na logarithm patungo sa decimal isa, ang aming equation ay isusulat nang iba:
e.m.f. = E 2 0 – E 1 0 + 0.059
Ang mga galvanic cell ay maaaring italaga sa anyo ng isang diagram. Sa kaliwa ay karaniwang isang electrode o half-cell na may mas mababang electrode potential (anode), at sa kanan - na may mas mataas na electrode potential (cathode).
Kapag nagre-record ng mga electrodes, unang ipahiwatig ang solid phase (halimbawa, metal sa kaso ng isang metal o redox electrode), at pagkatapos - mga sangkap na natunaw sa likidong bahagi. Ang mga phase ay pinaghihiwalay mula sa bawat isa sa pamamagitan ng isang patayong linya. Kung ang isang yugto ay naglalaman ng ilang bahagi, isinulat ang mga ito na pinaghihiwalay ng mga kuwit.
Ang interface sa pagitan ng mga solusyon ng dalawang electrodes ay inilalarawan ng isang tuldok na patayong linya o dalawang solidong linya ½ ½ (kung ang mga solusyon ay pinaghihiwalay ng isang tulay ng asin).
Alinsunod sa mga panuntunan sa itaas, ang circuit ng elemento ng Jacobi-Daniel ay ganito:
Zn ½ ZnSO 4 ½ ½ CuSO 4 ½ Cu
Ang isang galvanic cell ay maaari ding binubuo ng dalawang redox electrodes na may magkakaibang mga potensyal na halaga ng redox. Ang mga naturang elemento ay tinatawag na redox galvanic cells. Nabibilang din sila sa mga kemikal na galvanic cells, dahil Ang kanilang pagkilos ay batay sa isang kemikal na reaksyon.
Ang isang galvanic cell, kung saan ang pinagmumulan ng enerhiya ay hindi isang kemikal na reaksyon, ngunit ang gawain ng pagpapantay ng mga konsentrasyon (mga aktibidad) ng mga ions, ay tinatawag na isang konsentrasyon ng cell. . Ito ay maaaring binubuo ng dalawang magkatulad na metal electrodes na nahuhulog sa mga solusyon ng parehong asin, ngunit may magkakaibang mga konsentrasyon (aktibidad) ng mga metal ions (Larawan 96), halimbawa:
Zn ½ ZnSO 4 ½ ½ ZnSO 4 ½ Zn o Ag ½ AgNO 3 ½ ½ AgNO 3 ½ Ag
kanin. 96. Zinc concentration chain: M – salt bridge na naglalaman ng potassium chloride
Ang elektrod na matatagpuan sa isang mas dilute na solusyon ay natutunaw, ang mga ions nito ay pumasa sa solusyon:
Cu – 2ē ® Cu 2+
Ag – ē ® Ag +
Ang elektrod mismo ay nagiging negatibong sisingilin.
Sa kabaligtaran, ang mga ion ng metal ay idineposito sa isang elektrod na nahuhulog sa isang mas puro solusyon, at ito ay nagiging positibong sisingilin. Kaya, ang mga proseso ay nagaganap sa parehong mga electrodes na humahantong sa equalization ng konsentrasyon ng mga metal ions sa mga solusyon.
Ang mga potensyal ng elektrod ay pantay:
E 1 = E 0 + ; E 2 = E 0 +
Ang pagbabawas ng unang equation mula sa pangalawang makuha namin ang formula para sa pagkalkula ng emf. mula sa elemento ng konsentrasyon:
e.m.f. = E 2 – E 1 =
Ang elemento ng konsentrasyon ay gagana hanggang ang mga aktibidad ng mga metal ions sa parehong mga solusyon ay pantay; kapag a 1 = a 2 nito emf. ay magiging katumbas ng 0.
Ang isang halimbawa ng isang kemikal na galvanic cell ay ang elementong Jacobi-Daniel (Larawan 6). Binubuo ito ng isang tansong elektrod (isang tansong plato na nahuhulog sa isang solusyon ng CuSO 4) at isang zinc electrode (isang zinc plate na nahuhulog sa isang ZnSO 4 na solusyon). Lumilitaw ang EDL sa ibabaw ng zinc plate at naitatag ang equilibrium
Zn ⇄ Zn 2+ + 2ē
Sa kasong ito, ang electrode potential ng zinc ay lumalabas, at ang electrode circuit ay magkakaroon ng form na Zn|ZnSO 4 o Zn|Zn 2+.
Katulad nito, lumilitaw din ang EDS sa copper plate at naitatag ang equilibrium
Cu ⇄ Cu 2+ + 2ē
Samakatuwid, ang electrode potential ng tanso ay bumangon, at ang electrode circuit ay magkakaroon ng anyo na Cu|CuSO 4 o Cu|Cu 2+.
Sa Zn electrode (electrochemically mas aktibo), ang proseso ng oksihenasyon ay nangyayari: Zn – 2ē → Zn 2+. Sa Cu electrode (electrochemically less active), ang proseso ng pagbabawas ay nangyayari: Cu 2+ + 2ē → Cu.
kanin. 6 Scheme ng isang copper-zinc galvanic cell
Ang pangkalahatang equation para sa electrochemical reaction ay:
Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu
o Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu
Dahil ang circuit ng isang kemikal na galvanic cell ay isinulat ayon sa panuntunang "right plus", ang circuit ng elementong Jacobi-Daniel ay magkakaroon ng anyo
Ang dobleng linya sa diagram ay nagpapahiwatig ng electrolytic contact sa pagitan ng mga electrodes, kadalasang isinasagawa sa pamamagitan ng isang salt bridge.
Sa isang manganese-zinc galvanic cell (Larawan 7), tulad ng sa isang tansong-sinc cell, ang anode ay isang zinc electrode. Ang positibong elektrod ay pinindot mula sa isang halo ng manganese dioxide na may graphite at acetylene black sa anyo ng isang haligi ng "agglomerate", sa gitna kung saan inilalagay ang isang carbon rod - isang kasalukuyang conductor -.
kanin. 7 Diagram ng isang dry manganese-zinc cell
1 – anode (zinc cup), 2 – cathode (isang pinaghalong manganese dioxide na may graphite), 3 – graphite conductor na may metal cap,
4 - electrolyte
Ang electrolyte na naglalaman ng ammonium chloride na ginagamit sa manganese-zinc cells ay may bahagyang acidic na reaksyon dahil sa hydrolysis ng NH 4 CI. Sa isang acidic electrolyte, ang isang kasalukuyang-generating na proseso ay nangyayari sa positibong elektrod:
МnO 2 + 4Н + + 2ē → Мn 2+ + 2Н 2 O
Sa isang electrolyte na may pH na 7-8, napakakaunting mga hydrogen ions at ang reaksyon ay nagsisimulang mangyari sa paglahok ng tubig:
MnO 2 + H 2 O + ē → MnOOH + OH -
Ang MnOOH ay isang hindi kumpletong hydroxide ng manganese (III) - manganite.
Habang ang mga hydrogen ions ay natupok sa kasalukuyang proseso ng pagbuo, ang electrolyte ay nagbabago mula acidic hanggang neutral o kahit alkaline. Hindi posible na mapanatili ang reaksyon ng acid sa isang salt electrolyte kapag naglalabas ng mga elemento. Imposibleng magdagdag ng acid sa salt electrolyte, dahil magdudulot ito ng matinding self-discharge at kaagnasan ng zinc electrode. Habang naipon ang manganite sa elektrod, maaari itong bahagyang tumugon sa mga zinc ions na nabuo sa panahon ng paglabas ng zinc electrode. Sa kasong ito, ang isang bahagyang natutunaw na tambalan ay nakuha - hetaerolite, at ang solusyon ay acidified:
2MnOOH + Zn 2+ → ZnO∙Mn 2 O 3 + 2H +
Ang pagbuo ng hetaerolite ay pumipigil sa electrolyte na maging masyadong alkaliz kapag ang cell ay pinalabas.
Ang paglitaw ng e. d.s. sa isang galvanic cell. Ang pinakasimpleng Volta copper-zinc galvanic cell (Fig. 156) ay binubuo ng dalawang plates (electrodes): zinc 2 (cathode) at copper 1 (anode), na nahuhulog sa electrolyte 3, na isang may tubig na solusyon ng sulfuric acid H 2 S0 4 . Kapag ang sulfuric acid ay natunaw sa tubig, ang isang proseso ng electrolytic dissociation ay nangyayari, ibig sabihin, ang ilan sa mga molekula ng acid ay naghiwa-hiwalay sa mga positibong hydrogen ions H 2 + at mga negatibong ion ng acid residue S0 4 -. Kasabay nito, ang zinc electrode ay natunaw sa sulfuric acid. Kapag ang elektrod na ito ay natunaw, ang mga positibong zinc ions na Zn+ ay napupunta sa solusyon at pinagsama sa mga negatibong ion SO 4 - isang acidic na nalalabi, na bumubuo ng mga neutral na molekula ng zinc sulfate ZnS04. Sa kasong ito, ang natitirang mga libreng electron ay maipon sa zinc electrode, bilang isang resulta kung saan ang elektrod na ito ay nakakakuha ng negatibong singil. Ang isang positibong singil ay nabuo sa electrolyte dahil sa neutralisasyon ng ilan sa mga negatibong ion S0 4. Kaya, sa boundary layer sa pagitan ng zinc electrode at electrolyte, ang isang tiyak na potensyal na pagkakaiba ay lumitaw at isang electric field ay nilikha, na pumipigil sa karagdagang paglipat. mga positibong ion sink sa electrolyte; sa kasong ito, ang paglusaw ng zinc electrode ay hihinto. Ang tansong elektrod ay halos hindi natutunaw sa electrolyte at nakakakuha ng parehong positibong potensyal gaya ng electrolyte. Potensyal na pagkakaiba ng tanso? Cu at zinc? Ang Zn ng mga electrodes na may bukas na panlabas na circuit ay e. d.s. E ng galvanic cell na isinasaalang-alang.
Ang e.m.f. na nilikha ng isang galvanic cell ay nakasalalay sa mga katangian ng kemikal electrolyte at mga metal kung saan ginawa ang mga electrodes. Karaniwan ang mga ganitong kumbinasyon ng mga metal at electrolyte ay pinipili kung saan hal. d.s. ang pinakamalaking, ngunit sa halos lahat ng ginamit na elemento ay hindi ito lalampas sa 1.1 -1.5 V.
Kapag kumokonekta sa anumang receiver sa mga electrodes ng isang galvanic cell enerhiyang elektrikal(tingnan ang Fig. 156) kasalukuyang Magsisimula akong dumaloy sa panlabas na circuit mula sa tansong elektrod (positibong poste ng elemento) hanggang sa zinc electrode (negatibong poste). Sa electrolyte sa oras na ito, magsisimula ang paggalaw ng mga positibong zinc ions na Zn + at hydrogen H 2 + mula sa zinc plate patungo sa tanso at mga negatibong ion ng acid residue S0 4 ay magsisimula - mula sa copper plate hanggang sa zinc plate. Bilang resulta, ang balanse ng mga singil sa kuryente sa pagitan ng mga electrodes at electrolyte ay maaabala, bilang isang resulta kung saan ang mga positibong zinc ions ay muling magsisimulang dumaloy sa electrolyte mula sa katod, na nagpapanatili ng isang negatibong singil sa elektrod na ito; Ang mga bagong positibong ion ay idedeposito sa tansong elektrod. Kaya, sa pagitan ng anode at cathode ay palaging may potensyal na pagkakaiba na kinakailangan para sa pagpasa ng kasalukuyang sa pamamagitan ng electrical circuit.
Polarisasyon. Ang itinuturing na Volta galvanic cell ay hindi maaaring gumana nang mahabang panahon dahil sa nakakapinsalang kababalaghan ng polariseysyon na nangyayari dito. Ang kakanyahan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ang mga sumusunod. Ang mga positibong hydrogen ions H 2 + na nakadirekta sa tansong elektrod 1 ay nakikipag-ugnayan sa mga libreng electron na naroroon dito at nagiging mga neutral na atomo ng hydrogen. Ang mga atomo na ito ay sumasakop sa ibabaw ng tansong elektrod na may tuluy-tuloy na layer 4, na nagpapahina sa pagganap ng galvanic cell sa dalawang dahilan. Una, ang karagdagang paglabas ay nangyayari sa pagitan ng hydrogen layer at ng electrolyte. d.s. (emf ng polarization) na nakadirekta laban sa pangunahing emf. d.s. elemento, samakatuwid ang resulta nito e. d.s. E bumababa. Pangalawa, ang isang layer ng hydrogen ay naghihiwalay sa tansong elektrod mula sa electrolyte at pinipigilan ang mga bagong positibong ion mula sa paglapit dito. Sa kasong ito, ang panloob na paglaban ng elemento ng galvanic ay tumataas nang husto.
Upang labanan ang polariseysyon sa lahat ng galvanic cells, ang mga espesyal na sangkap ay inilalagay sa paligid ng positibong elektrod - mga depolarizer, na madaling gumanti ng kemikal sa hydrogen. Ang mga ito ay sumisipsip ng mga hydrogen ions na papalapit sa positibong elektrod, na pumipigil sa kanila na magdeposito sa elektrod na ito.
Ang industriya ay gumagawa ng mga galvanic cell ng iba't ibang uri (na may iba't ibang mga electrodes at electrolytes), na may iba't ibang disenyo. Ang pinakakaraniwan ay ang mga carbon-zinc cell, kung saan ang carbon at zinc electrodes ay inilulubog sa isang may tubig na solusyon ng ammonium chloride (ammonia) o table salt, at ang manganese peroxide ay ginagamit bilang isang depolarizer.
Mga tuyong elemento. Ang isang uri ng galvanic cell ay isang dry cell (Larawan 157), na ginagamit sa mga baterya ng pocket flashlight, radyo, atbp. Sa cell na ito, ang likidong electrolyte ay pinapalitan ng isang masa na parang masa na binubuo ng solusyon ng ammonia na may halong sawdust at almirol, at ang zinc electrode ay ginawa sa anyo ng isang cylindrical box na ginagamit bilang isang sisidlan kung saan inilalagay ang electrolyte at carbon electrode. Upang alisin ang mga gas na nabuo sa panahon ng pagpapatakbo ng elemento, isang gas outlet tube ay ibinigay sa loob nito.
Kapasidad. Ang kakayahan ng mga kasalukuyang pinagmumulan ng kemikal na maghatid ng elektrikal na enerhiya ay nailalarawan sa kanilang kapasidad. Ang kapasidad ay tumutukoy sa dami ng kuryenteng nakaimbak sa mga galvanic cell o baterya. Ang kapasidad ay sinusukat sa ampere hours. Ang na-rate na kapasidad ng isang pinagmumulan ng kasalukuyang kemikal ay katumbas ng produkto ng na-rate (kinakalkula) na discharge current (sa amperes) na ibinigay ng pinagmumulan ng kasalukuyang kemikal kapag ang isang load ay konektado dito, at ang oras (sa mga oras) hanggang sa e. d.s. ay hindi maaabot ang pinakamababang katanggap-tanggap na halaga. Sa matagal na operasyon, ang dami ng kuryente na maibibigay ng isang galvanic cell ay bumababa, dahil ang mga aktibong elemento na naroroon dito ay unti-unting natupok. mga kemikal na sangkap, tinitiyak ang paglitaw ng e. d.s; sabay e bumababa. d.s. elemento at ang kapasidad nito at ang panloob na pagtutol nito ay tumataas.
Ang isang galvanic cell ay may nominal na kapasidad lamang kung medyo maikling panahon na ang lumipas mula nang gawin ito. Ang kapasidad ng isang galvanic cell ay unti-unting bumababa, kahit na hindi ito gumagawa ng elektrikal na enerhiya (pagkatapos ng 10-12 buwan ng pag-iimbak, ang kapasidad ng mga dry cell ay bumababa ng 20-30%). Ito ay ipinaliwanag ni mga reaksiyong kemikal sa naturang mga elemento sila ay patuloy na dumadaloy at ang mga aktibong kemikal na sangkap na nakaimbak sa kanila ay patuloy na natupok.
Ang pagbaba sa kapasidad ng mga kasalukuyang pinagmumulan ng kemikal sa paglipas ng panahon ay tinatawag pagpapalabas sa sarili. Ang kapasidad ng isang galvanic cell ay bumababa din kapag ito ay pinalabas na may mataas na kasalukuyang.
Galvanic cell tanso - sink - sulfuric acid
Ibinuhos niya ang diluted sulfuric acid sa isang baso at ibinaba ang isang plato ng galvanized sheet dito. Nagsimula ang ebolusyon ng hydrogen. Ikinabit ko ang isang wire sa plato na may isang buwaya, na ikinonekta ng isa pang buwaya sa isang patag na tubo ng tanso. Ibinaba ko ang tanso sa isang baso na may zinc at acid - ang paglabas ng hydrogen ay nagsimula mula sa ibabaw ng tanso.
Nakakuha kami ng isang galvanic cell: natutunaw ang zinc, ang mga electron ay dumadaan sa wire patungo sa tanso, at ang mga hydrogen ions ay pinalabas (nabawasan) sa ibabaw ng tanso. Sa isip, pagkatapos ng paglubog ng tanso sa acid, ang ebolusyon ng hydrogen sa ibabaw ng zinc ay dapat tumigil, ngunit sa katotohanan ang hydrogen ay inilabas sa parehong tanso at sink.
Kung aalisin mo ang zinc plate mula sa acid, ngunit iwanan ang copper plate, ang ebolusyon ng hydrogen mula sa ibabaw ng tanso ay titigil: ang tanso ay hindi pinapalitan ang hydrogen mula sa sulfuric acid.
Ikinonekta ko ang mga electrodes ng tester sa pagitan ng mga plato - ang boltahe ay naging 0.8-0.9 V. Kung aalisin mo ang isa sa mga plato (tanso o sink) mula sa solusyon, ang boltahe ay bumaba sa zero (walang electric current sa system ). Ang parehong bagay ay mangyayari kung ang tanso at sink sa isang solusyon ay magkadikit: ang mga electron ay direktang lilipat mula sa sink patungo sa tanso - lampasan ang wire at ang tester.
Paano natin mapataas ang boltahe ng ating galvanic cell? Makukuha natin ang sagot kung isasaalang-alang natin ang mga equation ng mga prosesong nagaganap:
Zn 0 => Zn 2+ + 2e -
2H + + 2e - = H 2 0
Ang electromotive force (EMF) ng isang galvanic cell ay katumbas ng potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga electrodes, sa aming kaso, "hydrogen" at zinc:
EMF = E(2H + /H 2) - E(Zn 2+ /Zn)
Kung mas malaki ang potensyal ng hydrogen electrode at mas mababa ang potensyal ng zinc electrode, mas malaki ang EMF ng galvanic cell. Sa parehong mga kaso, ang potensyal ng electrode - hydrogen o zinc - ay tumataas sa pagtaas ng konsentrasyon ng hydrogen o zinc cation sa solusyon, ayon sa pagkakabanggit.
Mayroong dalawang paraan: bawasan ang konsentrasyon ng mga zinc ions o dagdagan ang konsentrasyon ng mga hydrogen ions.
Sa paunang sandali, ang konsentrasyon ng mga zinc cation ay halos zero (walang kahit saan upang bawasan ito), ngunit maaari mong taasan ang konsentrasyon ng mga hydrogen cation sa pamamagitan ng pagdaragdag ng higit pang sulfuric acid sa baso. Ang potensyal ng hydrogen electrode ay tataas, na nagiging sanhi ng pagtaas ng potensyal na pagkakaiba.
At kaagad ang isang makabuluhang paglilinaw: habang ang galvanic cell ay nagpapatakbo, ang konsentrasyon ng mga hydrogen ions sa solusyon ay bababa, at ang mga zinc ions ay tataas (ang zinc ay napupunta sa solusyon, at ang mga hydrogen ions ay nabawasan sa H 2). Konklusyon: Ang emf ng ating galvanic cell ay babagsak sa paglipas ng panahon.
Ang isa pang opsyon ay ang palitan ang zinc ng anumang metal na nasa kaliwa ng zinc sa electrochemical voltage series (ibig sabihin, sa isang metal na mas aktibo kaysa sa zinc). Ang potensyal ng elektrod na may tulad na metal ay mas positibo (iba pang mga bagay ay pantay-pantay). Halimbawa, sa halip na zinc, maaari kang kumuha ng magnesium.
Ngunit ano ang magbabago kung sa halip na tanso ay kukuha tayo ng isa pa, hindi gaanong aktibong metal (na sa serye ng boltahe ay nasa kanan ng tanso), halimbawa, pilak, platinum, atbp.? Tataas ba ang potensyal ng galvanic cell? Hindi, dahil hindi tayo nakikipag-usap sa isang galvanic cell na may zinc at copper electrodes (aka Daniel cell):
At may galvanic cell na may zinc at hydrogen mga electrodes.
Zn | ZnSO 4 || H2SO4 | H2.
Zn 0 => Zn 2+ + 2e -
2H + + 2e - = H 2 0
Madaling makita na ang materyal ng elektrod kung saan inilabas ang hydrogen ay hindi kasama sa mga equation, at samakatuwid ay hindi mahalaga.
__________________________________________________
Ang terminong "hydrogen electrode" ay inilalagay sa mga panipi dahil sa isang karaniwang hydrogen electrode ang plato ay hindi tanso, ngunit platinum - ito ay makabuluhang nakakaapekto sa operasyon nito.
Sa mahigpit na pagsasalita, ang materyal ng elektrod kung saan ang hydrogen ay inilabas ay mahalaga (tulad ng ginagawa nito). - Kung hindi, hindi na kailangang gumamit ng platinum para sa isang karaniwang hydrogen electrode. Ngunit huwag nating gawing kumplikado ang pagtatanghal.
