Гальванический элемент в банке

Если погрузить металл в воду, его атомы будут стремиться перейти в раствор в виде положительно заряженных ионов (катионов). При этом поверхность металла заряжается отрицательно, и она начинает притягивать положительно заряженные ионы уже перешедшие в воду. Из-за отрицательного заряда поверхности металла, дальнейший переход ионов в раствор прекращается (наступает динамическое равновесие т.е. сколько перешло в раствор столько и вернулось), и на отрицательной поверхности образуется слой из положительно заряженных ионов металла, так называемый двойной электрический слой (ДЭС). Если погрузить два разных металла то они зарядятся оба, но в зависимости от активности металла, один сильнее, а другой слабее. Если соединить, эти, по-разному заряженные металлы проводником, из-за разности потенциалов потечет поток электронов от более «слабого» к более «сильному». В результате «слабый» металл (более активный) начнет растворяться (ионы переходят в раствор), а на «сильном» металле ионы восстанавливаются и оседают на поверхности.

Медно-цинковый гальванический элемент с электролитным мостом

После того, как поставлен электролитный мост, гальванический элемент начинает работать: по цепи течет электрический ток. На одном электроде, там, где цинк погружен в раствор сульфата цинка, происходит постоянное растворение металла и движение ионов цинка в растворе:

а на другом электроде постоянно выделяется медь:

Zn + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu

вырабатывается электрическая энергия.

Ни медный стержень, ни ZnSO₄ не являются обязательной частью этого элемента. Металлическая медь осаждается на катоде из любого другого проводника, например на платиновой проволоке, а раствор сульфата цинка в анодной камере можно заменить любой другой проводящей солью, которая не взаимодействует с цинковым анодом, например, хлоридом натрия. В качестве соляного мостика, можно использовать стеклянную U-образную трубку, содержащую какой-либо электролит типа KNO₃, смешанный с агар-агаром либо желатиной, чтобы удержать электролит в трубке.

Что если оба металла погрузить в общий раствор, содержащий два вида ионов. Погрузить разумеется, можно, только обмен электронами будет на поверхности цинка, а не через внешнюю цепь. Цинк начнет растворятся постепенно покрываясь ямками, в тоже время покрываясь корочкой меди, которая сформирует губчатое коричневое покрытие. Но солевой мостик создает сопротивление диффузии ионов, создавая электрическое сопротивление, мешающее получению сильного тока от элемента, поэтому наилучшее устройство элемента, при условии его неподвижности, основывается на гравитационном разделении растворов без какой-либо перегородки между ними. В таком элементе разбавленный раствор ZnSO₄ осторожно заливают поверх концентрированного, более плотного раствора CuSO₄. При неподвижном состоянии и отсутствии вибраций элемент работает очень хорошо. Внутреннее сопротивление таком элементе почти полностью отсутствует, и это дает возможность получать большие токи. Такой элемент Даниэля раньше широко использовался в качестве стационарного источника тока на телеграфных станциях и в домах для дверных звонков. Подобный элемент можно сделать и другим способом. Стеклянная банка заливается концентрированным растворов поваренной соли (NaCl). У дна банки размещается медный электрод, а наверху цинковый. На дно банки аккуратно опускаются кристаллы CuSO₄. Сульфат меди, растворяясь на дне, с концентрированным раствором NaCl смешивается медленно, из-за этого ионы Cu 2+ не достигают цинкового электрода.

Медно-цинковый гальванический элемент в одной банке без перегородок

Как мы видим, для того, чтобы электроны могли совершить полезную работу, нужно заставить их двигаться по внешней цепи.

Не знаю, обратили ли Вы достаточное внимание на то обстоятельство, что электродный потенциал (по уравнениям Нернста и Петерса) в немалой степени зависит от концентрации ионов в растворе. Не можем ли мы и из этого извлечь пользу? Раз электродный потенциал зависит от концентрации, то при погружении одного и того же металла в растворы его ионов различной концентрации можно получать различный электродный потенциал. Из таких электродов можно сделать и гальванический элемент. Называют его концентрационный гальванический элемент. Берем, например, две медные пластинки и погружаем их в растворы с концентрацией медных солей соответственно 2 моль/л и 0,2 моль/л (в расчете на ион меди). Ставим электролитный мост. Соединяем электроды проводником. Элемент начинает работать. На одном электроде, там, где концентрация ионов меди в растворе ниже, происходит непрерывное растворение меди:

Ионы меди восстанавливаются, их концентрация в растворе непрерывно уменьшается. Итак, концентрационный гальванический элемент работает за счет разности концентрации ионов меди у обоих электродов, пока концентрации ионов у двух электродов не станут равными. Тогда исчезнет и разность электродных потенциалов, следовательно, не будет и напряжения. Можно добавить к одному из двух растворов воду, чтобы изменилась концентрация соли. Опять возникнет разность электродных потенциалов, и гальванический элемент снова заработает. Можно даже поменять знаки у электродов. Концентрационные гальванические элементы редко используются на практике, поскольку при их изготовлении как из различных, так и одинаковых окислительно-восстановительных пар (при различной концентрации соответствующих ионов в растворе), трудно учесть влияние, зависящего от концентрации, слагаемого в уравнении Нернста.

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Мосты из стеклянных трубок

Электролит часто превращается в гель с агар-агаром, чтобы предотвратить перемешивание жидкостей, которое в противном случае могло бы произойти.

Проводимость моста стеклянной трубки зависит главным образом от концентрации раствора электролита. При концентрациях ниже насыщения увеличение концентрации увеличивает проводимость. Содержание электролита сверхнасыщения и узкий диаметр трубки могут снизить проводимость.

Мосты из фильтровальной бумаги

Пористую бумагу, такую ​​как фильтровальная бумага, можно использовать в качестве солевого мостика, если она пропитана электролитом из вышеперечисленных вариантов. Желирующий агент не требуется, поскольку фильтровальная бумага обеспечивает твердую среду для проводимости.

Электропроводность такого солевого мостика зависит от ряда факторов: концентрации раствора электролита, текстуры бумаги и впитывающей способности бумаги. Как правило, более гладкая текстура и более высокая впитывающая способность означают более высокую проводимость.

Вместо солевого мостика можно использовать пористый диск или другие пористые барьеры между двумя полуячейками; они позволяют ионам проходить между двумя растворами, предотвращая при этом объемное смешивание растворов. Не только соляной мост, есть много других вещей для поддержания внутренней электрической нейтральности внутри цепи для проведения электричества.

Источник

Barkerwoods

Felicity Lee | Главный редактор | E-mail

歯 の 中 身 、 大 公開！ 歯 医 者 が 、 親 知 ら ず を ぶ っ 切 り ま す

Есть еще один вопрос, связанный с соляными мостами на этом сайте.

Без солевого мостика раствор в анодном отсеке стал бы положительно заряженным, а раствор в катодном отсеке стал бы отрицательно заряженным, из-за дисбаланса зарядов электродная реакция быстро остановилась бы.

Это помогает поддерживать поток электронов от полуэлемента окисления к полуэлементу восстановления, это замыкает цепь.

Однако если вы используете достаточно раствора электролита с обеих сторон, это не имеет значения; в этом случае солевым мостиком можно пренебречь.

Если вы соедините два электрода проволокой, вы закоротите все, что подключено к электродам. Если соединить два раствора электролита проводом, могут произойти две вещи:

В любом случае это не будет иметь желаемого эффекта солевого мостика, который должен уравновешивать накопление заряда, которое происходит, когда электроны перемещаются по проводу от анода к катоду.

Напряжение и ток зависят от нагрузки, которую вы подключаете к гальваническому элементу, и свойств самого элемента.

Источник

Элемент Даниеля

Соберите один из первых химических источников тока!

Проведите этот опыт с нашей подпиской!

Этот эксперимент, как и Батарейка из лимона, входит в набор Химия и электричество. Подпишитесь и получите всё, что понадобится для проведения этого эксперимента дома.

Реагенты

Безопасность

Часто задаваемые вопросы

Вначале убедитесь, что светодиод правильно подключен: черный зажим-крокодил подсоединен к короткой ножке, а красный — к длинной.

Зажимы-крокодилы должны касаться лишь «своих» ножек — иначе может произойти короткое замыкание!

Также проверьте соединение между зажимами-крокодилами, цинковой проволокой и медной проволокой.

Убедитесь, что цинковая проволока погружена в пробирку с бесцветным раствором сульфата цинка ZnSO₄, а медная — в пробирку с синим раствором сульфата меди CuSO₄. Кусочки проволоки должны быть наполовину погружены в соответствующие им растворы.

Быстровпитывающая полоска ткани (соляной мост) соединяет синий раствор сульфата меди CuSO₄ и бесцветный раствор сульфата цинка ZnSO₄. При необходимости увлажните полоску ткани несколькими каплями сульфата меди CuSO₄.

Нанося на тканевую полоcку раствор NaHSO₄, мы добавляем H + положительно заряженные ионы водорода. Крошечные и быстрые, они беспрепятственно перемещаются в растворе электролита. Ионы водорода усиливают электрический ток, вследствие чего увеличивается электропроводность раствора.

Другие эксперименты

Пошаговая инструкция

Подготовьте две пробирки: одну с раствором сульфата меди(II) CuSO₄, а вторую — с раствором сульфата цинка ZnSO₄.

Соедините пробирки с помощью тканевой полоски, пропитанной раствором CuSO₄.

Подсоедините черный зажим-крокодил к цинковой проволоке Zn, а красный — к медной Cu.

Опустите цинковую проволоку Zn в пробирку с раствором ZnSO₄, а медную проволоку Cu — в пробирку с CuSO₄. Ваш первый элемент Даниеля готов!

Ой! Светодиод почему-то не загорается. Вероятно, ему не хватает энергии. Не сдавайтесь, ее можно удвоить!

Соберите еще один элемент Даниеля. Энергии двух таких соединенных элементов хватит, чтобы подключенный к ним светодиод загорелся!

Теперь нанесите на тканевые полоски несколько капель раствора NaHSO₄. Светодиод будет гореть еще ярче!

Утилизация

Пожалуйста, утилизируйте химические отходы эксперимента в соответствии с нормами вашего региона. Остальные твердые отходы утилизируйте вместе с бытовым мусором. Растворы слейте в раковину и затем тщательно промойте ее водой.

Что произошло

Почему светодиод загорается?

Перемещаясь по проводам от цинка к меди, электроны создают электрический ток. Когда ток проходит через светодиод, лампочка загорается.

Зачем нужен соляной мостик?

Соляной мостик соединяет два раствора: благодаря ему ионы свободно перемещаются из одного раствора в другой и наоборот. Без такого обмена электрическая цепь не была бы замкнута, а батарейка бы не работала.

В растворе сульфата цинка находится слишком много положительно заряженных ионов, а в растворе сульфата меди — отрицательно заряженных. Когда два раствора соединены соляным мостиком, отрицательно заряженные ионы могут перемещаться из раствора сульфата меди в раствор сульфата цинка, а положительно заряженные ионы идут в обратном направлении. Именно так соляной мостик замыкает электрическую цепь.

Почему для эксперимента нужно два элемента Даниеля?

Две последовательно соединенные ячейки дают достаточное напряжение, чтобы светодиод светился. Одна ячейка дает примерно 1 В, две — в два раза больше. Если же соединить две ячейки параллельно, то напряжение будет 1 В, а вот сила тока увеличится вдвое.

Развитие эксперимента

Для чего нужна баночка с раствором NaHSO₄?

А вы наблюдательны! Очень важное качество для исследователя! Капните немного раствора NaHSO₄ на тканевую полоску и в каждую пробирку. Светодиод будет гореть еще ярче! Поэкспериментируйте!

Это интересно

Каким был первый химический источник тока?

Итальянский исследователь Алессандро Вольта (полное имя — Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Джероламо Умберто Вольта) первым догадался соединить проводом стержни из меди и цинка, а затем опустить их в раствор электролита. Электролит — это соединение, которое дает при растворении положительно и отрицательно заряженные ионы, поэтому электролит в виде раствора проводит электрический ток.

К слову, именно в честь этого исследователя назвали единицу измерения разности потенциалов — вольт. В своих работах учёный доказал, что такая система из двух стержней и электролита действительно создаёт электричество. По тем временам это был настоящий прорыв в науке!

Вольта также показал, что ячейки с парой «цинк-медь» можно соединять между собой. Так появился вольтов столб — по сути, первый химический источник электричества, который позволял исследователям работать в широком диапазоне напряжений. Он состоял из чередующихся медных и цинковых пластин, причем между каждой первой и второй пластинами был кусочек суконной ткани, смоченный раствором электролита.

В качестве электролита может выступать как раствор сильных кислот (HCl, H₂SO₄) или щелочей (KOH, NaOH), так и раствор солей (NaCl, ZnSO₄). Все они распадаются в растворе на заряженные части — ионы. Это необходимо для того, чтобы заряды могли переходить от цинка к меди: если просто соединить медь и цинк, такой переход произойдет только на стыке двух металлов, а в общем и целом такая система будет вести себя как обычный кусочек металла.

Любопытно, что при достаточных размерах (более 2100 пар пластин в одном устройстве!) мощности вольтова столба хватает на то, чтобы создавать электрическую дугу — явление, обусловленное ионизацией воздуха под действием мощного источника тока. Молекулы воздуха (преимущественно N₂ и O₂), как правило, нейтральны. Как бы то ни было, когда они сталкиваются с концами проводника, подключенного к такому большому вольтовому столбу, они ионизируются — отдают или принимают электроны. Этот процесс происходит лавинообразно, и в результате образуется плазма — целая область ионизированного воздуха, которая проводит электричество.

Что такое диод и как он устроен?

Диоды — это маленькие устройства, способные пропускать через себя электрический ток и выполнять с его помощью полезную работу. В данном случае речь идет о светодиоде — при пропускании электрического тока он светится.

В основе любого современного диода лежит полупроводник — особый материал, электропроводность которого не очень велика, но может вырастать, например, при нагревании. Электропроводность — это способность материала проводить через себя электрический ток.

В отличие от простого проводника, в любом диоде содержится два «типа» полупроводников. Само название «диод» (от греч. «δίς») означает, что в его составе есть два элемента — обычно их называют анод и катод.

Анод состоит из полупроводника, в котором есть пустоты — области, которые могут быть заполнены электронами (фактически пустые полочки специально для электронов). Эти «полочки» могут достаточно свободно перемещаться по всему аноду. Катод тоже состоит из полупроводника, но другого. Он содержит избыток электронов, которые тоже могут относительно свободно двигаться по нему.

Такой состав диода позволяет электронам легко двигаться через диод в одну сторону, но практически не позволяет им двигаться в обратном направлении. Когда электроны движутся от катода к аноду, «свободные» электроны из катода встречают на своем пути «полочки» для электронов в аноде. Электроны с удовольствием занимают эти пустоты, и ток двигается дальше.

Представим, что электроны двигаются в обратном направлении — им нужно слезть с уютных полочек и перейти в материал, где этих полочек нет! Очевидно, это им не выгодно, и ток в этом направлении не пойдёт.

Таким образом, любой диод может выступать в роли своего рода клапана для электричества, которое проходит через него в одну сторону, но не проходит в другую. Именно это свойство диодов позволило использовать их в качестве основы для вычислительной техники. Любой компьютер, смартфон, ноутбук или планшет содержит в себе процессор, в основе которого — миллионы микроскопических диодов или транзисторов.

У светодиодов другие задачи — освещение и индикация. Сам факт возникновения света обусловлен особым подбором полупроводниковых материалов, из которых состоит диод. Переход электронов с катода на свободные участки анода сопровождается образованием фотонов, то есть выделением света. Разные полупроводники производят свечение разных цветов. Важными преимуществами диодов, по сравнению с другими электрическими источниками света, являются их безопасность и высокая эффективность — степень преобразования энергии электрического тока в свет.

Подпишитесь на наборы MEL Chemistry и проведите эти опыты у себя дома!

Источник

Объединение электродов в измерительную ячейку

Измерительная ячейка, как и гальванический элемент, состоит из двух электродов, соединённых друг с другом. Поскольку состав электролита в левом и правом полуэлементах различен, разработаны специальные способы их соединения. Существуют элементы с жидкостными соединениями и элементы без жидкостных соединений.

Один из возможных способов жидкостного соединения электродов уже упоминался выше: это использование солевого мостика. Солевой мостик представляет собой стеклянную трубочку, заполненную очень вязким гелеобразным раствором хлорида калия, например, насыщенный раствор KCl в агар-агаре. Выбор хлорида калия в качестве электролита для заполнения солевого мостика определяется тем, что подвижность ионов и числа переноса K + и Cl – примерно одинаковы [10] ввиду близости их размеров и масс. Поэтому при протекании электрического тока через солевой мостик, заполненный раствором KCl, на его границах не возникает так называемый диффузионный потенциал.

Возникновение диффузионного потенциала при протекании электрического тока через электролит связано с тем, что перенос зарядов осуществляется катионами и анионами не в одинаковой степени. Поэтому при протекании тока через электролит, заполняющий солевой мостик, в котором анионы и катионы обладают разной подвижностью, на границах раздела с жидкими фазами, которые он соединяет, появляется дополнительная разность потенциалов. Если мостик заполнен раствором хлорида калия, этот эффект минимален, потому что подвижности обоих ионов примерно одинаковы и токи, определяемые диффузией анионов и катионов через жидкостное соединение, равны по величине. Такое соединение называют равнопроводящим. Кроме хлорида калия для заполнения солевого мостика можно использовать растворы KNO₃, NH₄NO₃, RbCl.

Иногда можно использовать один и тот же электролит в каждом из электродов. Электрохимические ячейки, в которых оба электрода погружаются в один общий электролит, называются ячейками без переноса. Например, в элементе, составленном из водородного электрода и хлорсеребряного электрода, в качестве электролита можно взять раствор HCl, общий для обоих электродов. При этом никакого дополнительного соединения не требуется.

Измерение ЭДС элемента

Для измерения ЭДС гальванического элемента, т. е. разности электродных потенциалов, взятой со знаком плюс, в принципе достаточно использовать обычный вольтметр. Однако чтобы полученное значение соответствовало равновесным условиям, необходимо, чтобы значение тока в измерительной цепи было минимальным. Для этого можно применять компенсационные схемы или использовать вольтметр с большим входным сопротивлением (десятки или сотни Мом). Последнему условию удовлетворяют электрические схемы рН—метров и иономеров, и в этих приборах обычно предусмотрена функция измерения ЭДС.

Важнейшей задачей потенциометрии является измерение рН водных растворов. Ясно, что для этой цели в принципе подходит любой электрод, потенциал которого зависит от концентрации (активности) ионов водорода. Можно использовать, например, водородный электрод, описанный выше. В качестве электрода сравнения (левого электрода) можно использовать НВЭ. Если водород подаётся под давлением 1 атм, то потенциалы электрода сравнения и измерительного электрода равны, соответственно

,

а разность электродных потенциалов гальванического элемента равна

Достоинством такого метода определения рН является отсутствие необходимости калибровки, так как измерение даёт абсолютный результат. Однако для рутинных измерений рН водородный электрод неудобен, поскольку требуется источник газообразного водорода (баллон или генератор).

В рН-метрах промышленного производства обычно используют так называемые стеклянные электроды. Стеклянный электрод не является гальваническим электродом, т. е. не относится к группе электродов, которые мы описывали до этого. Механизм возникновения электродного потенциала у стеклянного электрода связан не с окислительно-восстановительной реакцией, а с мембранными процессами, напоминающими, в известной степени, осмотические явления.[2]

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Источник