31. Гальванические элементы. Принцип работы. Эдс элемента.

1) Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. Сейчас широко распространены следующие гальванические элементы:

Тип	ЭДС (В)	Достоинства
угольно-цинковые (солевые)	1,5	дешёвые
щелочные (жаргонное название — алкалиновые)	1,6	высокий ток, ёмкие
никельоксигидроксидные (NiOOH)	1,6	высокий ток,очень ёмкие
литиевые	3,0	очень высокий ток, очень ёмкие

Распространены солевые и щелочные элементы следующих типоразмеров:

Американское название	Название МЭК	Название ГОСТ	Обиходное название
AAAA	R61	????	????
AAA	R03	286	мизинчик, тонкая
AA	R6	316	пальчик
C	R14	343	дюймовочка
D	R20	373	большая, бочка

Распространены солевые и щелочные батареи элементов следующих типоразмеров:

Название МЭК	Название ГОСТ	Обиходное название	Описание
3R12	3336	квадратная, плоская	3 элемента 12 (337) 4,5 В
6LR61	_	крона	6 спец. галетных элементов 9 В

В названии МЭК для щелочных элементов перед буквой R добавляется L, а для никельоксигидроксидных - буква X.

Также известны несколько десятков типоразмеров пуговичных (таблеточных) элементов разных электрохимических систем. Их обычно применяют в часах, микрокалькуляторах и других малогабаритных устройствах.

Эксплуатация элементов и батарей

Напряжение, отдаваемое батареей, нужно измерять вольтметром, подключив к батарее нагрузку с сопротивлением того же порядка, что и будущая реальная нагрузка, например для батареи фонаря это может быть лампочка от того же фонаря. Снижение напряжения до уровня менее 1 вольта на элемент, как правило, нужно считать признаком разряда батареи. Разряжаются элементы по-разному, например, солевые снижают напряжение постепенно, а литиевые — «держат напряжение» весь срок эксплуатации, а потом почти сразу «садятся».

Смешивать в одной батарее элементы разных типов, разной степени разряженности, разных производителей и даже разных партий одного и того же производителя не рекомендуется: даже если питаемый батареей прибор будет действовать, элементы в батарее будут разряжаться по-разному, что в итоге приведёт к протеканию одного из элементов и порче прибора. Если же одинаковых элементов нет, то подобное смешивание можно допустить, но только на короткое время и под постоянным контролем состояния элементов. Однако применение подобной «смеси» в приборах с кратковременным высоким или малым длительным расходом энергии (например, в фотоаппаратах или часах) очень нежелательно.

2) Обычно для создания гальванического элемента берут два разных металла, расположенных далеко друг от друга в ряду напряжений (табл. 9.2), чтобы получить возможно большую ЭДС. Однако при конструировании реальных химических источников тока металлы очень высокой химической активности (П, К, N3, Са) использовать нельзя, так как они будут реагировать с водой и другими компонентами окружающей среды и расходоваться непроизводительно. Работа гальванического элемента заключается в том, что более активный металл, растворяясь, переходит в ионное состояние, отдавая свои электроны менее активному металлу, который в ре- 234 зультате этого будет переходить из состояния иона в остов атома и будет наращивать кристаллическую решетку электрода. Схема работы медно-цинкового элемента (элемент Даниэля-Якоби) представлена на рис. 124. Уравнение реакции можно записать в виде полного уравнения: СиБ04 + 2п-^гп504 + Си ИЛИ в виде электронной схемы: Сіг+ + 2е->Си"; 2п° — 2е-+2гіі+ Рис. 124. Схема работы гальванического элемента Ионы цинка с поверхности цинковой пластинки уходят в раствор, притягивая к себе анионы SOI", а электроны с цинкового электрода переходят на ионы меди (Си2+ + 2е Си0), которые и осаждаются на медном электроде. Поэтому работа гальванического элемента возможна при замыкании не только металлической, но и электролитной цепи для перемещения ионов (рис. 125). Работа любого гальванического элемента будет определяться разностью потенциалов (ЭДС) и величиной прошедшего электрического заряда. Определим работу медно-цинкового элемента, полагая, что в раствор перешел 1 моль цинка . или выделился на медном электроде 1 моль меди, что эквивалентно. Считаем, что активности растворов электролитов, равны единице и что элемент работает обратимо (1=0). Определяем ЭДС, подставляя значения стандартных электродных потенциалов из табл. 9.2: ЭДС = ё% « +0,34-(-0,763)= 1,103В. Если бы. активности в растворах не были равны единице, ТО пришлось р„с, 125. Гальванический элемент бы использовать уравнение (9.9): Даниэля (медно-цииковый) 235 8 = 8° + 31 пр + \пса, где а — активность ионов в растворе; с — общая концентрация; а -— кажущаяся степень диссоциации. В общем виде ЭДС гальванического элемента Определим величину перенесенного заряда 1 моль растворяющегося или выделяющегося металла Как это было показано ранее (с. 227), работа обратимого гальванического элемента соответствует изменению энергии Гиббса для данной окислительно-восстановительной реакции.

3) ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому