Galvanikus cella

A galvanikus cella (elektrokémiai áramkör) egy kémiai áramforrás, amely két fém és/vagy oxidjaik kölcsönhatásán alapul egy elektrolitban , ami egy zárt áramkörben elektromos áram megjelenéséhez vezet. Luigi Galvani nevéhez fűződik . A kémiai energia elektromos energiává történő átalakítása galvánelemekben történik.

Így a galvánelem olyan eszköz, amelyben a redox kémiai reakció energiája elektromos energiává alakul.

A galvánfolyamatok tanulmányozásának története

A különböző fémek érintkezésekor keletkező elektromos áram jelenségét az olasz fiziológus , a Bolognai Egyetem ( Bologna , Olaszország ) orvosprofesszora fedezte fel – Luigi Galvani 1786 -ban : Galvani leírta az izmok összehúzódásának folyamatát. a frissen elkészített béka hátsó lábai, rézkampókra rögzítve , amikor acélszikével megérintik . A megfigyeléseket a felfedező az "állati elektromosság" megnyilvánulásaként értelmezte.

Alessandro Volta olasz fizikus és vegyész , akit érdekeltek Galvani kísérletei, egy teljesen új jelenséget látott: az elektromos töltések áramlásának létrejöttét. A Galvani nézőpontját ellenőrizve A. Volta kísérletsorozatot végzett, és arra a következtetésre jutott, hogy az izomösszehúzódás oka nem az "állati elektromosság", hanem a különböző vezetők láncának jelenléte a folyadékban. Megerősítésképpen A. Volta kicserélte a béka lábát egy általa kitalált elektrométerre , és megismételte az összes lépést. 1800-ban A. Volta először a Londoni Királyi Társaság ülésén jelentette be nyilvánosan felfedezéseit . Kísérletében egy másodosztályú vezető (folyadék) van középen, és érintkezik két első osztályú, két különböző fémből készült vezetővel. Ennek eredményeként egy vagy másik irányú elektromos áram keletkezik.

1802-ben Vaszilij Vlagyimirovics Petrov orosz fizikus megtervezte a világ legnagyobb galvanikus akkumulátorát, amely 4200 réz- és cinkkörből állt, amelyek átmérője körülbelül 35 milliméter és vastagsága körülbelül 2,5 milliméter, amelyek közé ammóniaoldattal átitatott papírt helyeztek . Petrov volt az , aki először alkalmazott szigetelést (tömítőviasz segítségével ) . Az egész szerkezetet tömör mahagóni fadobozba helyezték, amelyet különféle gyantákból álló szigetelőréteggel vontak be [1] . A modern becslések szerint Petrov akkumulátora körülbelül 1500 V feszültséget adott. [2] Egy orosz tudós ennek az akkumulátornak, mint áramforrásnak a tulajdonságait vizsgálta, és kimutatta, hogy működése a fémek és az elektrolit közötti kémiai folyamatokon alapul. M. A. Shatelen megjegyezte, hogy Petrov kísérletei olyan kutatásnak tekinthetők, amelyek megalapozták a modern elektrometallurgiát az ívkemencékben. [3] Petrov a megépített akkumulátort elektromos ív létrehozására használta, és kísérletezett vele. Munkásságának eredményeit az 1803-ban megjelent "Galvani-Volta kísérletek hírei" [4] című munkája részletezte . [5] [6]

Az elektródák típusai

A galvánelem összetétele elektródákat tartalmaz . Az elektródák a következők:

Megfordítható elektródák

• 1. típusú elektródák - sóoldatba mártott fémből álló elektródák;
• 2. típusú elektródák - ugyanazon fém gyengén oldódó sójával bevont fémből álló elektróda, amely egy oldhatatlan sóval közös aniont tartalmazó sóoldatba merítve ( ezüst-klorid elektród , kalomel elektród , fém-oxid elektródák);
• 3. típusú elektródák - két oldhatatlan elektrolit csapadékból álló elektródák: egy kevésbé oldódóban van egy kation , amely az elektród féméből képződik, egy jobban oldódóban pedig egy közös anion van az első csapadékkal. ;
• Gázelektródák - oldatban lévő inaktív fémből és gázból álló elektródák ( oxigénelektród , hidrogénelektród );
• Amalgámelektródák – fém higanyoldatából álló elektródák ;
• Redox elektródák - inaktív fémből álló elektródák (ferri-ferroelektród, kinhidron elektród ).

Ionszelektív membránelektródák

• Fix töltésű ioncserélő membránelektródák - üvegelektróda ;
• Folyadékhoz kapcsolódó ioncserélőkből álló elektródák ;
• Membránaktív kelátképző alapú membránelektródák ;
• Elektródák mono- és polikristályos membránokkal.

A galvánelemek jellemzői

A galvanikus cellákat elektromotoros erő (EMF) , kapacitás jellemzi ; az energia, amelyet a külső áramkörnek adhat; kitartás.

• A galvánelem elektromotoros ereje (EMF) az elektródák anyagától és az elektrolit összetételétől függ. Az EMF-et a folyamatban lévő elektrokémiai folyamatok termodinamikai függvényei írják le a Nernst-egyenlet formájában .
• Egy elem elektromos kapacitása az a villamos energia mennyisége, amelyet az áramforrás ad le kisütésekor. A kapacitás a forrásban tárolt reagensek tömegétől és átalakulásuk mértékétől függ; csökken a hőmérséklet csökkenésével vagy a kisülési áram növekedésével.
• A galvánelem energiája számszerűen megegyezik kapacitásának és feszültségének szorzatával. Az elemben lévő reagensek anyagának mennyiségének növekedésével és egy bizonyos határig, a hőmérséklet emelkedésével az energia növekszik. Az energia csökken a kisülési áram növekedésével.
• A perzisztencia egy elem tárolási időtartama, amely alatt jellemzői a megadott határokon belül maradnak. Egy elem visszatartása a tárolási hőmérséklet emelkedésével csökken.

A galvánelemek osztályozása

A galvanikus primer cellák olyan eszközök, amelyek a kémiai energiát , a bennük lévő reagenseket ( oxidálószer és redukálószer ) közvetlenül elektromos energiává alakítják át . A forrást alkotó reagensek a működése során elfogynak, és a reagensek elfogyasztása után a hatás leáll. A galvánelemre példa a Daniel - Jacobi cella .

Széles körben használják a folyékony elektrolit oldatot nem tartalmazó mangán-cink cellákat (száraz elemek, akkumulátorok). Így a Leclanche sócellákban a cinkelektróda katódként , a mangán-dioxid és grafit keverékéből készült elektróda anódként , a grafit pedig áramgyűjtőként szolgál . Az elektrolit ammónium -klorid-oldat pasztája liszt vagy keményítő hozzáadásával sűrítőanyagként.

Az alkáli mangán-cink cellák , amelyekben elektrolitként kálium-hidroxid alapú pasztát használnak, számos előnnyel rendelkeznek (különösen a lényegesen nagyobb kapacitás, jobb működés alacsony hőmérsékleten és nagy terhelési áramok mellett).

A sót és az alkáli elemeket széles körben használják rádióberendezések és különféle elektronikus eszközök táplálására.

A szekunder áramforrások ( akkumulátorok ) olyan eszközök, amelyekben a külső áramforrás elektromos energiája kémiai energiává alakul és felhalmozódik, majd a kémiai energiát ismét elektromos energiává alakítják.

Az egyik leggyakoribb akkumulátor az ólom (vagy sav) . Az elektrolit 25-30%-os kénsavoldat . A savas akkumulátor elektródái ólom -oxiddal töltött ólomrácsok , amelyek az elektrolittal kölcsönhatásba lépve ólom(II)-szulfáttá - PbSO 4 -dá alakulnak .

Léteznek alkáli elemek is: a nikkel-kadmium és nikkel-fém-hidrid akkumulátorok kapták a legnagyobb felhasználást , amelyekben a kálium-hidroxid (K-OH) elektrolitként szolgál .

A különféle elektronikai eszközökben ( mobiltelefonok , táblagépek , laptopok ) elsősorban lítium-ion és lítium-polimer akkumulátorokat használnak, amelyekre jellemző a nagy kapacitás és a memóriahatás hiánya .

Az elektrokémiai generátorok ( üzemanyagcellák ) olyan elemek, amelyekben a kémiai energiát elektromos energiává alakítják. Az oxidálószert és a redukálószert a cellán kívül tárolják, és működés közben folyamatosan és külön-külön juttatják az elektródákhoz. Az üzemanyagcella működése során az elektródák nem fogyasztanak el. A redukálószer hidrogén ( H 2 ), metanol (CH 3 OH ), metán (CH 4 ); folyékony vagy gáz halmazállapotú. Az oxidálószer általában oxigén – levegőből vagy tiszta. Egy lúgos elektrolitot tartalmazó oxigén-hidrogén üzemanyagcellában a kémiai energia elektromos energiává alakul. Erőműveket használnak az űrhajókon : energiával látják el az űrhajókat és az űrhajósokat .

Alkalmazás

• Galvanikus cellákat használnak a riasztórendszerben, zseblámpákban, órákban, számológépekben, audiorendszerekben, játékokban, rádiókban, autófelszerelésekben, távirányítókban, számítógépekben.
• Az akkumulátorokat autómotorok indítására használják; a településektől távoli helyeken is lehetőség nyílik ideiglenes áramforrásként történő felhasználásra.
• Az üzemanyagcellákat elektromos energia előállítására (erőművekben), szükségáramforrásokra, autonóm áramellátásra, szállításra, fedélzeti áramellátásra, mobil eszközökre használják.

Gyakran kémiai áramforrásokat használnak az akkumulátorok (elemek) részeként .

Lásd még

• üzemanyagcellák
• Elektrokémia
• Elektromos akkumulátor
• Kémiai áramforrás
• Szabványos méretű galvanikus elemek
• levegő-cink elem
• Thionyl chloride#Lithionyl chloride_batteries

Jegyzetek

1. ↑ Bástya. Vaszilij Petrov akkumulátora . "Bástya". Letöltve: 2019. február 9. Az eredetiből archiválva : 2019. február 9.. (határozatlan)
2. ↑ Vaszilij Petrov akkumulátora . www.powerinfo.ru Letöltve: 2019. február 9. Az eredetiből archiválva : 2019. július 15. (határozatlan)
3. ↑ Shatelen M. A. A 19. század második felének orosz villamosmérnökei. - Moszkva: Gosenergoizdat kiadó és nyomda, 1949. - S. 49. - 380 p.
4. ↑ Petrov V. V. INFORMÁCIÓK a galvanikus-voltaikus kísérletekről, amelyeket Vaszilij Petrov fizikaprofesszor végzett. - Szentpétervár: Állami Egészségügyi Főiskola nyomdája, 1803.
5. ↑ Vaszilij Vladimirovics Petrov fizikus: életrajz, felfedezések, találmányok . Villanyszerelő (2017. június 28.). Letöltve: 2019. február 9. Az eredetiből archiválva : 2019. február 9.. (Orosz)
6. ↑ Vaszilij Petrov „hatalmas első” akkumulátora. Az elektromosság világa (nem elérhető link) . librolife.ru. Letöltve: 2019. február 9. Az eredetiből archiválva : 2019. február 9.. (határozatlan) 

Irodalom

• Akhmetov N. S. Általános és szervetlen kémia
• Aksenovich L. A. Fizika a középiskolában: elmélet. Feladatok.
• Eremin V. V., Kargov S. I., Uspenskaya I. A., Kuzmenko N. E., Lunin V. V. A fizikai kémia alapjai. Elmélet és feladatok: tankönyv egyetemek számára

Linkek

• Galvanikus cellák és akkumulátorok // Brockhaus és Efron enciklopédikus szótára  : 86 kötetben (82 kötet és további 4 kötet). - Szentpétervár. , 1890-1907.
• Galvanikus cella // Encyclopedia "Technique". — M .: Rosmen , 2006.
• Kémiai áramforrások // Nagy Szovjet Enciklopédia  : [30 kötetben]  / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.
• www.xumuk.ru/encyklopedia/914.html

Szótárak és enciklopédiák	Nagy norvég Nagy orosz
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 4155907-1 NKC : ph114606