Устройство и принцип работы гальванического элемента

Электродные потенциалы. Каждая окислительно-восстано-вительная реакция слагается из полуреакций окисления и восстановления. Когда реакция протекает в гальваническом элементе или осуществляется путем электролиза, то каждая полуреакция протекает на соответствующем электроде; поэтому полуреакции называют также электродными процессами.

Электроды в зависимости от устройства и типа электродной реакции делятся на электроды:

1) первого рода;

2) второго рода;

3) окислительно-восстановительные.

Зависимость электродного потенциала (см.) электрода, обратимого по отношению к катионам (например, металла), от активности ионов в растворе описывается уравнением Нернста.

ВОДОРОДНЫЙ электрод в электрохимии - обычно платинированнаяпластина, погруженная в раствор кислоты с определенной концентрацией ионов Н+ и омываемаягазообразным водородом. При давлении водорода 0,1 МПa и термодинамической активности его ионов,равной единице, потенциал водородного электрода условно принят равным нулю. Такой водородный электродназывается стандартным, он служит электродом сравнения, от которого отсчитывают потенциалы других электродов.

Хлоридсере́бряный электро́дПредставляет собой серебряную пластинку или проволочку, покрытую слоем малорастворимой соли серебра(обычно — хлорида) и опущенной в раствор хлорида калия, насыщенный AgCl.

 

Каломельный электрод (КЭ) — это электрод сравнения, который состоит из ртути, хлористой ртути (каломели) и раствора хлористого калия заданной концентрации

Окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал от англ. redox — reduction-oxidation reaction, E_h или Eh) — мера способности химического вещества присоединять электроны (восстанавливаться). Окислительно-восстановительный потенциал выражают в милливольтах (мВ). Примером окислительно-восстановительного электрода являются: Pt/Fe³⁺,Fe²⁺

Уравнение Нернста — уравнение, связывающее окислительно-восстановительный потенциал системы с активностями веществ, входящих в электрохимическое уравнение, и стандартными электродными потенциалами окислительно-восстановительных пар.

,

где

— электродный потенциал, — стандартный электродный потенциал, измеряется в вольтах;

— универсальная газовая постоянная, равная 8.31 Дж/(моль·K);

— абсолютная температура;

— постоянная Фарадея, равная 96485,35 Кл·моль⁻¹;

— число моль электронов, участвующих в процессе;

и — активности соответственно окисленной и восстановленной форм вещества, участвующего в полуреакции.

Прогнозировать направление окислительно-восстановительной реакции можно с помощью анализа значений окислительно-восстановительных потенциалов сопряженных пар.

Например: реакцию

Zn⁰ + Cu⁺² Zn⁺² + Cu⁰

восст. I окисл. II окисл. I восст. II

Можно представить в виде 2-х пар

- 2 + 2

( + 2 ) ( + 2 )

Т.е. на границе металл – раствор возникает разность потенциалов, которая называется окислительно-восстановительным (ОВ) или электродным потенциалом.

Концентрационная цепь — это гальванический элемент (см.), в котором реакция, протекающая на одном электроде (или паре электродов), обратна реакции на другом электроде (или другой паре электродов), но изменение полной свободной энергии системы может отличаться от нуля вследствие наличия разности приэлектродных концентраций того или иного реагента. Электрическая энергия генерируется за счет изменения свободной энергии [15], сопровождающего перенос вещества между областями с разными концентрациями. Существуют следующие виды концентрационных цепей.

 

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЦЕПИсистемы из электродов, находящихся в одном и том же электролите либо в контактирующих друг с другомразл. электролитах. Иногда Э. ц. наз. гальванич. цепями. Э. ц. могут быть замкнутыми или разомкнутыми; вчастности, Э. ц. наз. правильно разомкнутой, если на концах разомкнутой цепи находятся одинаковыепроводники.

 

Гальвани́ческий элеме́нт химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двухметаллов и (или) их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрическоготока. Назван в честь Луиджи Гальвани.

Устройство и принцип работы гальванического элемента

Металл, погруженный в раствор электролита, называется электродом. Электроды — это система двух токопроводящих тел — проводников первого и второго рода. К проводникам первого рода относятся металлы, сплавы, оксиды с металлической проводимостью, а также неметаллические материалы, в частности графит; носители заряда — электроны. К проводникам второго рода относятся расплавы и растворы электролитов; носители заряда — ионы. Устройство, состоящее из двух электродов, называется гальваническим элементом.

Рис. 2. Схема медно-цинкового гальванического элемента

Рассмотрим гальванический элемент Якоби—Даниэля (схема приведена на рис. 2). Он состоит из цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка, и медной пластины, погружен­ной в раствор сульфата меди. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой.

 

 

Аккумулятор — устройство для накопления энергии с целью её последующего использования.

Типы аккумуляторов

Свинцовые аккумуляторы (Pb)

Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd)

Никель-железные аккумуляторы

Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH)

Никель-цинковые аккумуляторы

Серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы

Никель-водородные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion)

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol)

Перезаряжаемые марганцево-цинковые источники тока.

Устройство кислотной АКБ (свинцово-кислотного) различного назначения, от разных производителей отличается не принципиально и в тезисной форме выглядит следующим образом:

1. пластиковый контейнер-корпус из инертного, устойчивого к агрессивной среде материала;

2. в общем корпусе располагается несколько модулей-банок (как правило шесть), которые являются полноценными источниками тока и соединяются между собой тем или иным способом в зависимости от основных задач;

3. в каждой банке располагаются плотные пакеты, состоящие последовательно из разделенных диэлектрическими сепараторами отрицательно и положительно заряженных пластин (свинцовый катод и анод из диоксида свинца соответственно). Каждая пара пластин является источником тока, их параллельное соединение кратно увеличивает выдаваемое на напряжение;

4. пакеты залиты раствором химически чистой серной кислоты, разбавленной до определенной плотности дистиллированной водой.

 

Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на аноде и окисление свинца на катоде.
При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.
Химическая реакция (слева направо — разряд, справа налево — заряд):
Анод:
PbO2 + SO4(2-) + 4 H(+) + 2 e = PbSO4 + 2 H2O
Катод:
Pb + SO4(2-) - 2 e =PbSO4

 

Химическая коррозия — это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента среды протекают единовременно в одном акте. Продукты взаимодействия пространственно не разделены.

Электрохимическая коррозия — это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала.

По виду коррозионной среды и условиям протекания различают несколько видов коррозии.

Газовая коррозия - это химическая коррозия металлов в газовой среде при минимальном содержании влаги (как правило не более 0,1%) или при высоких температурах. В химической и нефтехимической промышленности такой вид коррозии встречается часто. Например, при получении серной кислоты на стадии окисления диоксида серы, при синтезе аммиака, получении азотной кислоты и хлористого водорода, в процессах синтеза органических спиртов, крекинга нефти и т.д.

Механизм электрохимической коррозии может протекать по двум вариантам:

1) Гомогенный механизм электрохимической коррозии:

- поверхностный слой мет. рассматривается как гомогенный и однородный;

- причиной растворения металла является термодинамическая возможность протекания катодного или же анодного актов;

- К и А участки мигрируют по поверхности во времени;

- скорость протекания электрохимической коррозии зависит от кинетического фактора (времени);

- однородную поверхность можно рассматривать как предельный случай, который может быть реализован и в жидких металлах.

2) Гетерогенный механизм электрохимической коррозии:

- у твердых металлов поверхность негомогенная, т.к. разные атомы занимают в сплаве различные положения в кристаллической решетке;

- гетерогенность наблюдается при наличии в сплаве инородных включений.

Электрохимическая коррозия имеет некоторые особенности: делится на два одновременно протекающих процесса (катодный и анодный), которые кинетически зависимы друг от друга; на некоторых участках поверхности электрохимическая коррозия может принять локальный характер; растворение основного мет. происходит именно на анодах.

Поверхность любого металла состоит из множества короткозамкнутых через сам металл микроэлектродов. Контактируя с коррозионной средой образующиеся гальванические элементы способствуют электрохимическому его разрушению.

Причины возникновения коррозии местных гальванических элементов могут быть самые разные:

1) неоднородность сплава

- неоднородность мет. фазы, обусловленная неоднородностью сплава и наличием микро- и макровключений;

- неравномерность окисных пленок на поверхности за счет наличия макро- и микропор, а также неравномерного образования вторичных продуктов коррозии;

- наличие на поверхности границ зерен кристаллов, выхода дислокации на поверхность, анизотропность кристаллов.

2) неоднородность среды

- область с ограниченным доступом окислителя будет анодом по отношению к области со свободным доступом, что ускоряет электрохимическую коррозию.

3) неоднородность физических условий

- облучение (облученный участок - анод);

- воздействие внешних токов (место входа блуждающего тока - катод, место выхода - анод);

- температура (по отношению к холодным участкам, нагретые являются анодами) и т. д.