Гальванический элемент: схема, принцип работы, применение. Гальванические элементы и аккумуляторы

1. Гальванический элемент

Гальванический элемент - 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. Это первичные ХИТ, которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить.

Гальванические элементы являются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, отдаваемой во внешнюю цепь, а также сохраняемостью и экологической безопасностью.

ЭДС определяется природой протекающих в гальваническом элементе процессов. Напряжение гальванического элемента U всегда меньше его ЭДС в силу поляризации электродов и потерь сопротивления:

U = Eэ – I(r1–r2) – ΔE,

где Еэ – ЭДС элемента; I – сила тока в режиме работы элемента; r1 и r2 – сопротивление проводников I и II рода внутри гальванического элемента; ΔЕ – поляризация гальванического элемента, складывающаяся из поляризаций его электродов (анода и катода). Поляризация возрастает с увеличением плотности тока (i), определяемой по формуле i = I/S, где S – площадь поперечного сечения электрода, и ростом сопротивления системы.

В процессе работы гальванического элемента его ЭДС и, соответственно, напряжение постепенно снижаются в связи с уменьшением концентрации реагентов и увеличением концентрации продуктов окислительно-восстановительных процессов на электродах (вспомним уравнение Нернста). Однако чем медленнее снижается напряжение при разряде гальванического элемента, тем больше возможностей его применения на практике. Емкостью элемента называют общее количество электричества Q, которое гальванический элемент способен отдать в процессе работы (при разрядке). Емкость определяется массой запасенных в гальваническом элементе реагентов и степенью их превращения. При увеличении тока разряда и снижении температуры работы элемента, особенно ниже 00С, степень превращения реагентов и емкость элемента снижаются.

Энергия гальванического элемента равна произведению его емкости на напряжение: ΔН = Q.U. Наибольшей энергией обладают элементы с большим значением ЭДС, малой массой и высокой степенью превращения реагентов.

Сохраняемостью называют продолжительность срока хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных параметрах. С ростом температуры хранения и эксплуатации элемента, его сохраняемость уменьшается.

Состав гальванического элемента: восстановителями (анодами) в портативных гальванических элементах, как правило, служат цинк Zn, литий Li, магний Mg; окислителями (катодами) – оксиды марганца MnO2, меди CuO, серебра Ag2O, серы SO2, а также соли CuCl2, PbCl2, FeS и кислород О2.

Самым массовым в мире остается производство марганец–цинковых элементов Mn–Zn, широко применяемых для питания радиоаппаратуры, аппаратов связи, магнитофонов, карманных фонариков и т.п. Конструкция такого гальванического элемента представлена на рисунке

Токообразующими реакциями в этом элементе являются:

На аноде (–): Zn – 2ē → Zn2+ (на практике происходит постепенное растворение цинковой оболочки корпуса элемента);

На катоде (+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.

В электролитическом пространстве также идут процессы:

У анода Zn2+ + 2NH3 →2+;

У катода Mn2O3 + H2O → или 2.

В молекулярном виде химическую сторону работы гальванического элемента можно представить суммарной реакцией:

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.

Схема гальванического элемента:

(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (С) (+).

ЭДС такой системы составляет Е= 1,25 ÷ 1,50В.

Гальванические элементы с подобным составом реагентов в щелочном электролите (КОН) имеют лучшие выходные характеристики, но они неприменимы в портативных устройствах в силу экологической опасности. Еще более выгодными характеристиками обладают серебряно-цинковые элементы Ag-Zn, но они чрезвычайно дороги, а значит, экономически неэффективны. В настоящее время известно более 40 различных типов портативных гальванических элементов, называемых в быту «сухими батарейками».

2. Электрические аккумуляторы

Электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ)- перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить.

Аккумуляторы – это устройства, в которых под воздействием внешнего источника тока в системе накапливается (аккумулируется) химическая энергия (процесс зарядки аккумулятора), а затем при работе устройства (разрядка) химическая энергия снова превращается в электрическую. Таким образом, при зарядке аккумулятор работает как электролизер, а при разрядке – как гальванический элемент.

В упрощенном виде аккумулятор представляет собой два электрода (анод и катод) и ионный проводник между ними – электролит. На аноде как при разряде, так и при заряде протекают ре6акции окисления, а на катоде – реакции восстановления.

До последнего времени по-прежнему наиболее распространенными в России, да и в Приднестровье, остаются кислотные свинцовые и щелочные никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы.

Электроды в нем представляют собой свинцовые решетки, из которых одна заполняется в порах порошком оксида свинца IV – PbO2. Электроды соединены с электролитом через пористый сепаратор. Всеь аккумулятор помещается в бак из эбонита или полипропилена.

При работе такого устройства в нем происходят следующие электродные процессы:

А). Разрядка или работа аккумулятора как источника электрической энергии.

На аноде: (–) Pb – 2ē → Pb2+;

на катоде: (+) PbO2 + 4H+ + 2ē → Pb2+ + 2H2O.

Образующиеся на электродах катионы свинца взаимодействуют с анионами электролита с выделением белого осадка сульфата свинца

Pb2+ + SO42– = ↓PbSO4.

Суммарная токообразующая реакция процесса разрядки аккумулятора:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4↓ + 2H2O,

а схема работающего аккумулятора как гальванического элемента имеет вид (–) Pb|PbSO4||PbO2 (+).

Напряжение на клеммах работающего аккумулятора достигает величины 2,0÷2,5В. В процессе эксплуатации устройства электролит расходуется, а в системе накапливается осадок. Когда концентрация активных ионов водорода [Н+] становится критической для реакции на катоде, аккумулятор прекращает свою работу.

Б). Зарядка или восстановление химического потенциала аккумулятора для последующего его преобразования в электрическую энергию. Для этого аккумулятор подсоединяют к внешнему источнику тока таким образом, что к клемме «анод» подается отрицательный полюс, а к клемме «катод» - положительный. В этом случае на электродах под действием внешнего напряжения возникают обратные процессы, восстанавливающие их до первоначального состояния.

Металлический свинец восстанавливает поверхность электрода (–): PbSO4 + 2ē → Pb + SO42;

Образующийся оксид свинца IV заполняет поры свинцовой решетки (+): PbSO4 + 2H2O – 2ē → ↓PbO2 + 4H+ + SO42.

Суммарная восстановительная реакция: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 +2H2SO4.

Определить момент окончания процесса зарядки аккумулятора можно по появлению пузырьков газа над его клеммами («кипение»). Это связано с возникновением побочных процессов восстановления катионов водорода и окисления воды с ростом напряжения при восстановлении электролита:

2Н+ + 2ē → Н2; 2Н2О – 4ē → О2 + 2Н2.

Коэффициент полезного действия аккумулятора достигает 80% и рабочее напряжение длительное время сохраняет свое значение.

ЭДС аккумулятора может быть рассчитана по уравнению:

RT α4(H+)·α2(SO42–)

EЭ = EЭ0 + –––– ℓn –––––––––––––– (твердые фазы в Сравн. не

2F α2(H2O) учитываются).

Надо заметить, что в аккумуляторе нельзя использовать концентрированную серную кислоту (ω(H2SO4) > 30%), т.к. при этом уменьшается ее электрическая проводимость и увеличивается растворимость металлического свинца. Свинцовые аккумуляторы широко используются в автомобильном транспорте всех типов, на телефонных и электрических станциях. Однако из-за высокой токсичности свинца и его продуктов, свинцовые аккумуляторы требуют герметичной упаковки и полной автоматизации процессов их эксплуатации.

А) В щелочных аккумуляторах положительный электрод изготавливается из никелевой решетки, пропитанной гелеобразным гидрооксидом никеля II Ni(OH)2; а отрицательный – из кадмия или железа. Ионным проводником служит 20%-ый раствор гидрооксида калия КОН. Суммарные токообразующие и генерирующие реакции в таких аккумуляторах имеют вид:

2NiOOH + Cd + 2H2O ◄====== 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2; ЕЭ0 = 1,45В.

2NiOOH + Fe + 2H2O ◄====== 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2; ЕЭ0 = 1,48В.

К достоинствам этих аккумуляторов относят большой срок их службы (до 10 лет) и высокую механическую прочность, а к недостаткам – невысокие КПД и рабочее напряжение. Щелочные аккумуляторы используются для питания электрокар, погрузчиков, рудничных электровозов, аппаратуры связи и электронной аппаратуры, радиоприемников. Вспомним также, что кадмий является высокотоксичным металлом, что требует соблюдения правил безопасности при утилизации отработанных устройств.

ЭДС и тока. Необходимо помнить, что в батарею должны соединятся элементы с одинаковыми характеристиками. План работы Начертить схемы замещения: Схемы включения реостата Схемы включения потенциометра Схемы соединения гальванических элементов. Вывод Из построенных схем и условий каждая цепь имеет своё значение ЭДС на каждой схеме она определяется по разному. Ответы на...

Развития гальванотехники в XIX – XX вв. в значительной степени остаётся открытым. Представляется, что его можно решить на основании реконструкции процесса создания гальванического производства; прослеживания, каким областям науки и техники, их конкретным достижениям обязано оно своим становлением; рассмотрения социально-экономических предпосылок возникновения и становления гальванотехники. ...

Тока ниже, чем в гальваностегии; в железных гальванопластических ваннах она не превышает 10-30 а/м2, в то время как при железнении (гальваностегия) плотность тока достигает 2000-4000 а/м2. Гальванические покрытия должны иметь мелкокристаллическую структуру и равномерную толщину на различных участках покрываемых изделий - выступах и углублениях. Это требование имеет в гальваностегии особенно важное...

Гальванические элементы и батареи

Г. элементом, или гальванической парой, называется прибор, состоящий из двух металлических пластинок (одна из которых может быть заменена коксовой), погружаемых в одну или две различные жидкости, и служащий источником гальванического тока. Некоторое число Г. элементов, соединенных между собой известным образом, составляет гальваническую батарею. Простейший по устройству Г. элемент состоит из двух пластинок, погружаемых в глиняный или стеклянный стакан, в котором налита жидкость, соответствующая роду пластинок; пластинки не должны иметь металлического соприкосновения в жидкости. Г. элементы называются первичными, если они суть самостоятельные источники тока, и вторичными, если они становятся действующими лишь после более или менее продолжительного действия на них источников электричества, их заряжающих. Рассматривая происхождение Г. элементов, нужно начать с вольтова столба, родоначальника всех последующих гальванических батарей, или с чашечной батареи Вольта.

Вольтов столб. Для составления его Вольта брал пары разнородных металлических кружков, сложенных или даже спаянных по основанию, и картонные или суконные кружки, смоченные водой или раствором едкого кали. Первоначально употреблялись серебряные и медные кружки, а потом обычно цинковые и медные. Из них составлялся столб, как показано на черт. 1, а именно: сперва кладется медная и на нее цинковая пластинка (или наоборот), на которую накладывается смоченный картонный кружок; это составляло одну пару, на которую накладывалась вторая, составленная опять из медного, цинкового и картонных кружков, наложенных друг на друга в таком же порядке, как и в первой паре.

Продолжая накладывать в таком же порядке последующие пары можно составить столб; столб, изображенный на черт. 1, слева состоит из 11 вольтовых пар. Если столб установлен на пластинке изолирующего, т. е. не проводящего электричество, вещества, например, на стеклянной, то, начиная от середины его, одна половина столба (нижняя на нашем чертеже) окажется заряженной положительным электричеством, а другая (верхняя по чертежу) - отрицательным. Напряженность электричества, неощутимая посередине, растет по мере приближения к концам, на которых она наибольшая. К самой нижней и самой верхней пластинкам припаиваются проволоки; приведение в соприкосновение свободных концов проволок дает начало движению положительного электричества от нижнего конца столба через проволоку к верхнему и движению отрицательного электричества по противоположному направлению; образуется электрический, или гальванический, ток (см. это слово). Вольта считал парой две пластинки разнородных металлов, а жидкости приписывал только способность проводить электричество (см. Гальванизм); но по взгляду, установившемуся позднее, пара состоит из двух разнородных пластинок и жидкого слоя между ними; поэтому самая верхняя и самая нижняя пластинки столба (черт. 1 справа) могут быть сняты. Такой столб будеть состоять из 10 пар, и тогда самая нижняя пластинка его будет медная, а самая верхняя - цинковая и направление движения электричества, или направление гальванического тока, в нем останется прежнее: от нижнего конца столба (теперь от цинка) к верхнему (к меди). Медный конец столба был назван положительным полюсом, цинковый - отрицательным. Впоследствии по терминологии Фарадея положительный полюс назван анодом, отрицательный - катодом. Вольтов столб может быть уложен горизонтально в корытце, покрытое внутри изолирующим слоем воска, сплавленного с гарпиусом. Ныне вольтов столб не употребляется по причине большого труда и времени, нужных на его составление и разборку; но в прежнее время пользовались столбами, составленными из сотен и тысяч пар; в Петербург профессор В. Петров пользовался в 1801-2 гг. при своих опытах столбом, состоявшим иногда из 4200 пар (см. Гальванизм), Вольта строил свой аппарат и в другой форме, которая и есть форма позднейших батарей. Батарея Вольта (corona di tazze) состояла из чашек, расположенных по окружности круга, в которые наливалась теплая вода или раствор соли; в каждой чашке находились две металлические разнородные пластинки, одна против другой. Каждая пластинка соединена проволокой с разнородной пластинкой соседней чашки, так что от одной чашки к другой по всей окружности пластинки постоянно чередуются: цинк, медь, потом опять цинк и медь и т. д. В том месте, где окружность замыкается, в одной чашке имеется цинковая пластинка, в другой - медная; по проволоке, соединяющей эти крайние пластинки, будет идти ток от медной пластинки (положительного полюса) к цинковой (отрицательному полюсу). Эту батарею Вольта считал менее удобной, чем столб, но на самом деле именно форма батареи получила всеобщее распространение. В самом деле устройство вольтова столба вскоре было изменено (Крюйкшанк): продолговатый деревянный ящик, разделенный поперек пластинками меди и цинка, спаянными между собой, на маленькие отделения, в которые наливалась жидкость, был удобнее обычного вольтова столба. Еще лучше был ящик, разделенный на отделения деревянными поперечными стенками; медная и цинковая пластинки ставились по обе стороны каждой перегородки, будучи спаяны между собой сверху, где оставлялось, кроме того, ушко. Деревянная палка, проходившая через все ушки, служила для поднятия всех пластинок из жидкости или для погружения их.

Элементы с одной жидкостью. Вскоре после того стали делать отдельные пары или элементы, которые могли быть соединены в батареи различными способами, польза которых особенно ясно обнаружилась после того, как Ом выразил формулой силу тока в зависимости от электровозбудительной (или электродвижущей) силы элементов и от сопротивлений, встречаемых током как во внешних проводниках, так и внутри элементов (см. Гальванический ток). Электровозбудительная сила элементов зависит от металлов и жидкостей, их составляющих, а внутреннее сопротивление - от жидкостей и от размеров элементов. Для уменьшения сопротивления и увеличения тем силы тока надо толщину слоя жидкости между разнородными пластинками уменьшать, а размеры погружаемой поверхности металлов увеличивать. Это выполнено в элементе Волластона (Wollaston - по более правильному выговору Вульстен). Цинк помещен внутри согнутой медной пластинки, в которой вставлены кусочки дерева или пробки, не допускающие соприкосновения пластинок; к каждой из пластинок припаяна проволока, обычно медная; концы этих проволок приводятся в соприкосновение с предметом, через который хотят пропустить ток, идущий по направлению от меди к цинку по внешним проводникам и от цинка к меди по внутренним частям элемента. Вообще, ток идет внутри жидкости от металла, на который жидкость действует химически сильнее, к другому, на который она действует слабее. В этом элементе обе поверхности цинковой пластинки служат для истечения электричества; такой способ удвоения поверхности одной из пластинок потом вошел в употребление при устройстве всех элементов с одной жидкостью. В элементе Волластона употребляется разведенная серная кислота, разлагающаяся во время действия тока (см. Гальванопроводность); результатом разложения будет окисление цинка и образование цинкового купороса, растворяющегося в воде, и выделение водорода на медной пластинке, приходящей от этого в поляризованное состояние (см. Поляризация гальваническая и Гальванопроводность), уменьшающее силу тока. Изменчивость этого поляризованного состояния сопровождается изменчивостью силы тока.

Из многих элементов с одной жидкостью называем элементы Сми (Smee) и Грене, в первом - платина или платинированное серебро среди двух цинковых пластинок, все - погруженное в разбавленную серную кислоту. Химическое действие такое же, как и в элементе Волластона, и поляризуется водородом платина; но ток менее переменчив. Электровозбудительная сила больше, чем в медно-цинковом.

Элемент Грене состоит из цинковой пластинки, помещающейся между двух плиток, выпиленных из кокса; жидкость для этого элемента приготавливается по разным рецептам, но всегда из двухромокалиевой соли, серной кислоты и воды. По одному рецепту на 2500 грамм воды надо взять 340 грамм названной соли и 925 грамм серной кислоты. Электровозбудительная сила больше, чем в элементе Волластона.

Во время действия элемента Грене образуется, как и в предыдущих случаях, цинковый купорос; но водород, соединяясь с кислородом хромовой кислоты, образует воду; в жидкости образуются хромовые квасцы; поляризация уменьшена, но не уничтожена. Для элемента Грене употребляется стеклянный сосуд с расширенной нижней частью, как то изображено на фиг. 7 таблицы "Гальванические элементы и батареи". Жидкости наливается столько, чтобы цинковую пластинку Z, которая короче коксовых С, можно было, потянув прикрепленный к ней стержень Т, вынуть из жидкости на то время, когда элемент должен оставаться без действия. Зажимы В, В, соединенные - один с оправой стержня Т, а следовательно, с цинком, а другой с оправой углей, назначены для концов проволок-проводников. Ни пластинки, ни их оправы не имеют металлического соприкосновения между собой; ток идет по соединительным проволокам через внешние предметы по направлению от кокса к цинку. Угольно-цинковый элемент может быть употребляем с раствором поваренной соли (в Швейцарии, для телеграфов, звонков) и тогда действует 9-12 мес. без ухода.

Элемент Лаланда и Шаперона, усовершенствованный Эдисоном, состоит из плитки цинка и другой, спрессованной из окиси меди. Жидкость - раствор едкого кали. Химическое действие - окисление цинка, образующего потом соединение с кали; отделяющийся водород, окисляясь кислородом окиси цинка, входит в состав образующейся воды, а медь восстанавливается. Внутреннее сопротивление малое. Возбудительная сила не определена с точностью, но меньше, чем у элемента Даниэля.

Элементы с двумя жидкостями. Так как выделение водорода на одном из твердых тел Г. элементов есть причина, уменьшающая силу тока (собственно электровозбудительную) и сообщающая ему непостоянство, то помещение пластинки, на которой водород выделяется, в жидкости, способной отдать кислород на соединение его с водородом, должно сделать ток постоянным. Беккерель первый устроил (1829) медно-цинковый элемент с двумя жидкостями для названной цели, когда еще не были известны элементы Грене и Лаланда. Позднее Даниэль (1836) устроил подобный же элемент, но более удобный в употреблении. Для разделения жидкостей нужны два сосуда: один стеклянный или глазурованный глиняный, содержит в себе цилиндрический, глиняный, слабообожженный, а потому пористый, сосуд, в который наливается одна из жидкостей и помещается один из металлов; в кольцеобразном промежутке между двумя сосудами налита другая жидкость, в которую погружена пластинка другого металла. В элементе Даниэля цинк погружен в слабую серную кислоту, а медь в водный раствор медного (синего) купороса. Фиг. 1 таблицы изображает 3 элемента Даниэля, соединенные в батарею;

цилиндры, гнутые из цинка, помещены во внешние стеклянные стаканы, медные пластинки тоже в форме цилиндра или согнутые наподобие буквы S - помещены во внутренние глиняные цилиндры. Можно расположить и обратно, т. е. медь во внешних сосудах. Ток идет от меди к цинку по внешним проводникам и от цинка к меди через жидкость в самом элементе или батарее, причем разлагаются одновременно обе жидкости: в сосуде с серной кислотой образуется цинковый купорос, а водород идет к медной пластинке, в то же время медный купорос (CuSO 4) разлагается на медь (Cu), осаждающуюся на медную пластинку, и отдельно не существующее соединение (SO 4), которое химическим процессом образует с водородом воду прежде, чем он успеет выделиться в виде пузырьков на меди. Пористая глина, легко смачиваемая обеими жидкостями, дает возможность передаваться химическим процессам от частицы к частицам через обе жидкости от одного металла к другому. После действия тока, продолжительность которого зависит от его силы (а эта последняя отчасти от внешних сопротивлений), а также от количества жидкостей, содержащихся в сосудах, весь медный купорос издерживается, на что указывает обесцвечивание его раствора; тогда начинается отделение пузырьков водорода на меди, а вместе с тем поляризация этого металла. Этот элемент называется постоянным, что однако надо понимать относительно: во-первых и при насыщенном купоросе есть слабая поляризация, но главное - внутреннее сопротивление элемента сначала уменьшается, а потом растет. По этой второй и главной причине замечается в начале действия элемента постепенное усиление тока, тем значительнейшее, чем менее ослаблена сила тока внешними или внутренними сопротивлениями. Через полчаса, час и более (продолжительность растет с количеством жидкости при цинке) ток начинает ослабевать медленнее, чем возрастал, и еще через несколько часов доходит до первоначальной силы, постепенно ослабевая далее. Если в сосуде с раствором медного купороса помещен запас этой соли в нерастворенном виде, то это продолжает существование тока, равно как и замена образовавшегося раствора цинкового купороса свежей разбавленной серной кислотой. Однако при замкнутом элементе уровень жидкости при цинке мало-помалу понижается, а при меди повышается - обстоятельство само по себе ослабляющее ток (от увеличения сопротивления по этой причине) и притом указывающее на переход жидкости из одного сосуда в другой (перенос ионов см. Гальванопроводность, осмос гальванический). В сосуд с цинком просачивается медный купорос, из которого цинк чисто химическим путем выделяет медь, заставляя ее осаждаться частью на цинк, частью на стенки глиняного сосуда. По этим причинам происходит большая бесполезная для тока трата цинка и медного купороса. Однако все же элемент Даниэля принадлежит к числу самых постоянных. Глиняный стакан, хотя и смачиваемый жидкостью, представляет большое сопротивление току; употребляя пергамент вместо глины, можно значительно усилить ток путем уменьшения сопротивления (элемент Карре); пергамент может быть заменен животным пузырем. Вместо разбавленой серной кислоты можно при цинке употреблять раствор поваренной или морской соли; возбудительная сила остается почти та же. Химические действия не исследованы.

Элемент Мейдингера. Для частого и продолжительного и притом довольно постоянного, но слабого тока может служить элемент Мейдингера (фиг. 2 таблицы), составляющий видоизменение элемента Даниэля. Внешний стакан имеет расширение наверху, где на внутреннюю закраину ставится цинковый цилиндр; на дне стакана помещен другой маленький, в который поставлен цилиндрик, свернутый из листовой меди, или же кладется медный кружок на дно внутреннего сосуда, наполняемого потом раствором медного купороса. После этого осторожно наливают сверху раствор сернокислой магнезии, который заполняет все свободное пространство внешнего сосуда и не смещает раствора купороса, как имеющего больший удельный вес. Тем не менее по диффузии жидкостей купорос медленно достигает цинка, где и отдает свою медь. Для поддержания насыщенности этого раствора внутрь элемента ставится еще опрокинутая стеклянная колба с кусками медного купороса и водой. От металлов идут наружу проводники; части их, находящиеся в жидкости, имеют гуттаперчевую оболочку. Отсутствие глиняной банки в элементе позволяет пользоваться им долгое время без перемены его частей; но внутреннее сопротивление его велико, переносить его с места на место надо очень осторожно и в нем бесполезно для тока издерживается много медного купороса; в колбе даже маленького элемента помещается около 1 / 2 килограмма купороса. Он весьма пригоден для телеграфов, электрических звонков и в других подобных случаях и выстаивает месяцы. Элементы Калло и Труве-Калло похожи на элементы Мейдингера, но проще последних. Крестен в Петербурге также устроил полезное видоизменение элемента Мейдингера. Элемент Томсона в форме блюда или подноса есть измененный даниэлевский; пористые плоские перепонки из пергаментной бумаги отделяют одну жидкость от другой, но можно обходиться и без перепонок. Элемент Сименса и Гальске также относится к разряду даниэлевских. Элемент Минотто. Медный кружок на дне стеклянной банки, на который насыпаются кристаллы медного купороса, а сверху толстый слой кремнистого песку, на который накладывается цинковый кружок. Все заливается водой. Служит от 1 1 / 2 до 2 лет на телеграфных линиях. Вместо песка можно взять порошок животного угля (Дарсонваль). Элемент Труве. Медный кружок, на котором столбик кружков из пропускной бумаги, снизу пропитанный медным купоросом, сверху - цинковым купоросом. Небольшое количество воды, смачивающей бумагу, приводит элемент в действие. Сопротивление довольно большое, Действие продолжительно и постоянно.

Элемент Грове, платиново-цинковый; платина погружается в крепкую азотную кислоту, цинк в слабую серную кислоту. Выделяющийся действием тока водород окисляется за счет кислорода азотной кислоты (NHO 2), переходящей в азотный ангидрид (N 2 O 4), выделяющиеся красно-оранжевые пары которой вредны для дыхания и портят все медные части аппарата, которые потому лучше делать из свинца. Эти элементы могут быть употребляемы лишь в лабораториях, где имеются вытяжные шкафы, а в обычной комнате должны быть поставлены в печь или камин; они имеют большую возбудительную силу и малое внутреннее сопротивление - все условия для большой силы тока, которая тем постояннее, чем больший объем жидкостей содержится в элементе. Фиг. 6 таблицы изображает такой элемент плоской формы; вне его справа изображена соединенная с платиновым листком элемента согнутая цинковая пластинка Z второго элемента, в сгибе которой стоит плоский глиняный сосуд V для платины. Слева изображен платиновый листок, соединенный зажимом с цинком элемента и принадлежащий третьему элементу. При этой форме элементов внутреннее сопротивление его очень мало, но сильное действие тока не продолжительно по причине малого количества жидкостей. Ток идет от платины по внешним проводникам к цинку, согласно высказанному выше общему правилу.

Элемент Бунзена (1843), угольно-цинковый, вполне заменяет предыдущий и дешевле его, так как дорогая платина заменена коксовой плиткой. Жидкости те же, что в элементе Грове, электровозбудительная сила и сопротивление приблизительно такие же; направление тока такое же. Подобный элемент изображен на фиг. 3 таблицы; угольная плитка, обозначенная буквой С, с металлическим зажимом, при котором поставлен знак +; это положительный полюс, или анод, элемента. От цинкового цилиндра Z с зажимом (отрицательный полюс, или катод) идет пластинка с другим зажимом, накладываемым на угольную плитку второго элемента в случае составления батареи. Грове первый заменил платину в своем элементе углем, но его опыты были забыты. Элемент Дарсонваля, угольно-цинковый; при угле смесь азотной и соляной кислоты по 1 объему с 2 объемами воды, содержащей 1 / 20 серной кислоты. Элемент Фора. - Вместо коксовой плитки употребляется бутылка из графита и глины; туда наливается азотная кислота. Это, по-видимому, внешнее изменение элемента Бунзена делает употребление азотной кислоты более полным.

Элемент Сосновского. - Цинк в растворе едкого натра или едкого кали; уголь в жидкости, состоящей из 1 объема азотной кислоты, 1 объема серной, 1 объема соляной, 1 объема воды. Замечателен очень высокой электровозбудительной силой.

Элемент Каллана. - Уголь бунзеновских элементов заменяется железом; возбудительная сила остается та же, что при употреблении угля. Железо не подвергается действию азотной кислоты, находясь в пассивном состоянии. Вместо железа можно с пользой употреблять чугун с некоторым содержанием кремния.

Элемент Поггендорфа отличается от элемента Бунзена заменой азотной кислоты жидкостью, подобной той, которая употребляется в элементе Грене. На 12 весовых частей двухромовокислого кали, растворенных в 100 частях воды, прибавляется 25 частей крепкой серной кислоты. Возбудительная сила такая же, как в элементе Бунзена; но внутреннее сопротивление больше. Кислорода в названной жидкости, отдаваемого на окисление водорода, меньше, чем в азотной кислоте при том же объеме. Отсутствие запаха при пользовании этими элементами в соединении с другими достоинствами сделало его самым удобным к употреблению. Однако поляризация не вполне устранена. Элемент Имшенецкого, угольно-цинковый. Графитовая (углерод) пластинка в растворе хромовой кислоты, цинк - в растворе серноватистонатриевой соли. Большая возбудительная сила, малое внутреннее сопротивление, почти полная утилизация цинка и весьма хорошее пользование хромовой кислотой.

Элемент Лекланше, угольно-цинковый; вместо окисляющей жидкости содержит при угольной плитке порошок (крупный) перекиси марганца, смешанный с порошком кокса (фиг. 5 табл.) во внутренней, проницаемой для жидкости, глиняной банке; снаружи в одном из углов склянки особенной формы помещается цинковая палочка. Жидкость - водный раствор нашатыря - наливается снаружи и проникает внутрь глиняной банки до угля (кокса), смачивая перекись марганца; верх банки обычно заливается смолой; оставлены отверстия для выхода газов. Возбудительная сила - средняя между даниэлевским и бунзеновским элементами, сопротивление большое. Элемент этот, оставленный замкнутым, дает ток быстро убывающей силы, но для телеграфов и домашнего употребления выстаивает один-два года при подливании жидкости. При разложении нашатыря (NH 4 Cl) хлор выделяется на цинк, образуя хлористый цинк и аммиак при угле. Перекись марганца, богатая кислородом, переходит мало-помалу в соединение низшей степени окисления, но не во всех частях массы, наполняющей глиняный сосуд. Для более полного пользования перекисью марганца и уменьшения внутреннего сопротивления устраивают эти элементы без глиняной банки, а из перекиси марганца и угля спрессовывают плитки, между которыми помещают коксовую, как показано на фиг. 4 таблицы. Этого рода элементы могут быть сделаны закрытыми и удобными к переноске; стекло заменяется роговым каучуком. Видоизменил этот элемент также Гефф, заменяя раствор нашатыря раствором хлористого цинка.

Элемент Марие-Деви, угольно-цинковый, содержит при угле тестообразную массу из сернокислой закиси ртути (Hg 2 SO 4), смоченной водой, помещенную в пористую глиняную банку. К цинку наливается слабая серная кислота или даже вода, так как первая и без того выделится из соли ртути действием тока, при чем водород окисляется, а при угле выделяется металлическая ртуть, так что по истечении некоторого времени элемент становится цинково-ртутным. Электровозбудительная сила не изменяется от употребления чистой ртути вместо угля; она несколько больше, чем в элементе Лекланше, внутреннее сопротивление большое. Пригоден для телеграфов и вообще для прерывистого действия тока. Эти элементы употребляются и для медицинских целей, причем предпочитают заряжать их сернокислой окисью ртути (HgSO 4). Удобная для медицинских и других целей форма этого элемента представляет высокий цилиндр из рогового каучука, верхняя половина которого заключает в себе цинк и уголь, а нижняя - воду и сернокислую ртуть. Если элемент перевернуть верхом вниз, он действует, а в первом положении - не образует тока.

Элемент Варрена Деларю - цинково-серебряный. Узкая серебряная полоска выступает из цилиндрика плавленного хлористого серебра (AgCl), помещенного в трубочке из пергаментной бумаги; цинк имеет форму тонкого стерженька. Оба металла помещаются в стекляной трубке, закупоренной парафиновой пробкой. Жидкость - раствор нашатыря (23 части соли на 1 литр воды). Электровозбудительная сила почти такая же (немного больше), как в элементе Даниэля. Из хлористого серебра осаждается металлическое серебро на серебряную полоску элемента, и поляризация не происходит. Батареи, составленные из них, служили для опытов над прохождением света в разреженных газах (V, Варрен Деларю). Гефф дал этим элементам устройство, делающее их удобными для переноски; употребляются для медицинских индукционных катушек и для постоянных токов.

Элементы Дюшомена, Парца, Фигье. Первый - цинково-угольный; цинк в слабом растворе поваренной соли, уголь - в растворе хлорного железа. Непостоянен и мало исследован. Парц заменил цинк железом; раствор поваренной соли имеет плотность 1,15, раствор хлорного железа плотности 1,26. Лучше предыдущего, хотя электровозбудительная сила меньше. Фигье употребляет в железно-угольном элеменге одну жидкость, получаемую пропусканием струи хлора через насыщенный раствор железного купороса. Элемент Ниоде, угольно-цинковый. Цинк имеет форму цилиндра, окружающего пористый глиняный цилиндр, содержащий в себе коксовую плитку, засыпанную хлорной известью. Элемент закупорен пробкой, залитой воском; через отверстие в ней наливается раствор поваренной соли (24 части на 100 частей воды). Электровозбудительная сила большая; при постоянном, несколько продолжительном действии на внешнее малое сопротивление скоро ослабевает, но через час или два бездействия элемента она достигает прежней величины.

Сухие элементы. Это название можно дать элементам, в которых присутствие жидкости неявно, когда она всасывается в пористые тела элемента; скорее следовало бы их назвать влажными. К таким можно отнести вышеописанный медно-цинковый элемент Труве и элемент Лекланше, измененный Жерменом. В этом последнем употребляется клетчатка, извлекаемая из кокосовых орехов; из неё приготавливается масса, сильно поглощающая жидкость и газы, на вид сухая и только при давлении принимающая влажный вид. Легко переносимы и пригодны для походных телеграфных и телефонных станций. Элементы Гаснера (угольно-цинковые), в состав которых входит гипс, пропитанный, вероятно, хлористым цинком или нашатырем (держится в секрете). Возбудительная сила приблизительно такая, как в элементе Лекланше, спустя некоторое время после начала действия последнего; внутреннее сопротивление меньше, чем у Лекланше. В сухом элементе Лекланше-Барбье промежуток между внешним цинковым цилиндром и внутренним полым цилиндром из аггломерата, в состав которого входит перекись марганца, наполнен гипсом, насыщенным раствором неизвестного состава. Первые, довольно продолжительные испытания этих элементов были благоприятны для них. Желатиново-глицериновый элемент Кузнецова есть медно-цинковый; состоит из картонного, пропитанного парафином ящичка с дном, выклеенным оловом внутри и снаружи. На олово насыпают слой толченого медного купороса, на который наливают желатино-глицериновую массу, содержащую серную кислоту. Когда эта масса застынет - насыпают слой измельченного амальгамированного цинка, опять заливаемый тою же массой. Из таких элементов составляют батарею наподобие вольтова столба. Предназначается для звонков, телеграфов и телефонов. Вообще же число различных сухих элементов очень значительно; но в болышинстве по причине секретного состава жидкостей и аггломератов суждение о них возможно только практическое, но не научное.

Элементы большой поверхности и малого сопротивления. В тех случаях, когда нужно накаливать короткие, довольно толстые проволоки или пластинки, как, например, при некоторых хирургических операциях (см. Гальванокаустика), употребляют элементы с большими металлическими поверхностями, погруженными в жидкости, что уменьшает внутреннее сопротивление и тем усиливает ток. Волластонов способ удвоения поверхности применяется к составлению поверхностей из большого числа пластинок, как показано на черт. 2, где y, y, y - пластинки из одного металла помещены в промежутках между пластинками ц, ц, ц, ц другого металла.

Все пластинки параллельны между собой и не соприкасаются, но все одного наименования соединены внешними проволоками в одно целое. Вся эта система равномерна элементу из двух пластинок, каждая шестикратной поверхности сравнительно с изображенными, при толщине слоя жидкости между пластинками, равной расстоянию между каждыми двумя пластинками, изображенному на чертеже. Уже в начале нынешнего столетия (1822) устраивались приборы с большой металлической поверхностью. К числу их относится большой элемент Гаре, названный дефлагратором. Цинковый и медный листы большой длины, отделенные фланелью или деревянными палочками, свертываются в каток, в котором листы не соприкасаются между собой металлически. Этот каток погружается в кадку с жидкостью и дает ток весьма большой силы при действии на очень малые внешние сопротивления. Поверхность каждого листа - около 50 кв. футов (4 кв. метра). В наше время вообще стараются уменьшить внутреннее сопротивление элементов, но дают им особенно большую поверхность для некоторых частных применений, например в хирургии для срезания болезненных наростов раскаленной проволокой или пластинкой, для прижиганий (см. Гальванокаустика). Так как накаливаются проводники малого сопротивления, то можно получить ток именно уменьшением внутреннего сопротивления. Поэтому в гальванокаустических элементах помещают большое число пластинок, расположенных подобно тому, как изображено на черт. 2 текста. Устройство не представляет особенностей, но приспособлено к удобному употреблению; таковы, например, угольно-цинковые элементы или батареи Шардена с хромовой жидкостью, применяемые в Париже, Лионе, Монпелье и Брюсселе. Следует обратить внимание операторов на необходимость употребления измерителя силы тока с весьма малым сопротивлением (амперметра, или амметра), чтобы иметь уверенность в исправности батареи перед операцией.

Нормальные элементы должны сохранять свою электровозбудительную силу или иметь разность потенциалов постоянной в продолжение возможно долгого времени, когда они хранятся разомкнутыми для того, чтобы служить нормальной единицей меры при сравнении электровозбудительных сил между собой. Ренье предложил для этой цели медно-цинковую пару, в которой поверхность меди очень велика сравнительно с цинковой. Жидкость есть раствор 200 частей сухой поваренной соли в 1000 частях воды. При этом условии поляризация меди очень слаба, если этот элемент вводится в цепь с большим сопротивлением и на короткое время. Нормальный элемент Латимера Кларка состоит из цинка в растворе цинкового купороса, ртути и сернортутной соли (Hg 2 SO 4). Нормальный элемент Флеминга, медно-цинковый, с растворами медного купороса и цинкового купороса определенной, всегда постоянной плотности. Нормальный элемент лондонского почтово-телеграфного ведомства, медно-цинковый, с раствором цинкового купороса и кристаллами медного купороса при меди весьма пригоден. Электровозбудительную силу элемента Флеминга см. табличку в конце статьи.

Вторичные элементы, или аккумуляторы, ведут происхождение от вторичных столбов Риттера (см. Гальванизм), в продолжение 50 лет остававшихся без особенного внимания. Столб Риттера, состоявший из медных пластинок, погруженных в некоторую жидкость, после действия на него вольтова столба становился поляризованным, и после этого сам мог образовать ток, направление которого было противоположно первичному току. В 1859 г. Планте устроил элемент, состоявший из двух свинцовых листов, свернутых спирально наподобие дефлагратора Гаре, без взаимного металлического соприкосновения и погруженных в слабую серную кислоту. Соединив один свинцовый лист с анодом (положительным полюсом), а другой с катодом батареи по меньшей мере из 2 элементов Бунзена или Поггендорфа, соединенных последовательно, и пропуская таким образом ток, идущий в жидкости от свинца к свинцу, вызывают тем отделение кислорода на свинцовой пластинке, соединенной с анодом, и водорода на листе, соединенном с катодом. На анодной пластинке образуется слой свинцовой перекиси, тогда как катодная совершенно очищается от окислов. Вследствие разнородности пластинок они образуют пары с большой электровозбудительной силой, дающей ток, по направлению противоположный прежнему. Большая возбудительная сила, развивающаяся во вторичном элементе и направленная противоположно возбудительной силе первичной батареи, и есть причина требования, чтобы последняя превосходила первую. Два элемента Поггендорфа, соединенные последовательно, имеют возбудительную силу около 4 вольт, а элемент Планте лишь около 2 1 / 2 . Для заряжания 3 или 4 элементов Планте, соединенных параллельно (см. Гальванические батареи), собственно, было бы достаточно прежних 2 элементов Поггендорфа, но действие их было бы очень медленно для окисления такой большой поверхности свинца; поэтому для одновременного заряжения, например, 12 элементов Планте, соединенных параллельно, нужно действие 3-4 элементов Бунзена с возбудительной силой 6-8 вольт в продолжение нескольких часов. Заряженные элементы Планте, соединенные последовательно, развивают электровозбудительную силу в 24 вольта и производят большее, например, накаливание, чем заряжающая батарея, но зато действие вторичной батареи будет кратковременнее. Количество электричества, приведенного в движение вторичной батареей, не более количества прошедшего через нее электричества от первичной батареи, но, будучи пропущено через внешние проводники при большей напряженности или разности потенциалов, издерживается в более короткое время.

Элементы Планте после различных практических улучшений получили название аккумуляторов. В 1880 г. Фор придумал покрывать свинцовые пластинки слоем сурика, т. е. готового свинцового окисла, который от действия первичного тока еще более окислялся на одной пластинке и раскислялся на другой. Но способ прикрепления сурика потребовал технических улучшений, существенно заключавшихся в употреблении свинцовой решетки, в которой пустые клетки наполняются тестом из сурика и глета на слабой серной кислоте. В аккумуляторе Фиц-Джеральда употребляются плитки из окислов свинца без всякой меллической основы; вообще систем аккумуляторов имеется очень много и здесь дается изображение лишь одной из лучших (фиг. 8 таблицы). Свинцовая решетка Гагена сложена из двух обращенных друг к другу выступами, что препятствует кускам свинцового окисла выпадать из рамы; особо изображенные разрезы по линиям ab и cd главного чертежа объясняют устройство этой рамы. Одна рама заполняется суриком, другая глетом (низшая степень окисления свинца). Нечетное число, обычно пять или семь, пластинок соединяется наподобие того, как объяснено на черт. 2; в первом случае 3, во втором 4 покрыты глетом. Из русских техников принесли пользу устройству аккумуляторов Яблочков и Хотинский. Эти вторичные элементы, представляющие одно техническое неудобство - очень большой вес, получили разнообразные технические применения, между прочим, к домашнему электрическому освещению в тех случаях, когда нельзя пользоваться прямо током динамо-машин для этой цели. Аккумуляторы, заряженные в одном месте, могут быть перевезены в другое. Их заряжают теперь не первичными элементами, а динамо-машинами, с соблюдением некоторых специальных правил (см. Динамо-машины, Электрическое освещение).

Составление гальванических батарей. Батарея составляется из элементов тремя способами: 1) последовательным соединением, 2) параллельным соединением, 3) сложенным из обоих предыдущих. На фиг. 1 таблицы изображено последовательное соединение 3 элементов Даниэля: цинк первой пары, считая справа, соединен медной лентой с медью второй пары, цинк второй пары - с медью третьей. Свободный конец меди первой пары есть анод, или положительный полюс батареи; свободный конец третьей пары есть катод, или отрицательный полюс батареи. Для параллельного соединения этих же элементов надо все цинки соединить между собой металлическими лентами и все медные листы соединить лентами или проволоками в одно отдельное от цинков целое; сложная цинковая поверхность будет катодом, сложная медная - анодом. Действие такой батареи одинаково с действием одного элемента, который имел бы поверхность втрое большую, чем единичный элемент батареи. Наконец, третий способ соединения может быть приложен не менее как к 4 элементам. Соединяя их по двое параллельно, получим два сложных анода и таких же два катода; соединяя первый сложный анод со вторым сложным катодом, получим батарею из двух элементов удвоенной поверхности. На черт. 3 текста изображены два различных сложных соединения из 8 элементов, представленных каждый двумя концентрическими кольцами, разделенными черными промежутками. Не входя в подробности, заметим, что по внешнему виду способ составления этих батарей отличается от только что описанных.

В (I) по 4 элемента соединены последовательно, но с одного конца два крайних цинка соединены металлической полоской КК, а с противоположного две крайние медные пластинки соединены пластинкой АА, которая и есть анод, тогда как КК - катод сложной батареи, равносильной последовательно соединенным 4 элементам удвоенной поверхности. На чертеже 3 (II) изображена батарея, равносильная последовательно соединенным двум элементам учетверенной поверхности. Случаи, когда нужны батареи, определенным образом составленные, совершенно выясняются формулой Ома (гальванический ток) при соблюдении проистекающего из нее правила, что для получения наилучшего действия на какой-нибудь проводник данным числом гальванических элементов надо из них составить батарею таким образом, чтобы внутренее ее сопротивление было равно сопротивлению внешнего проводника или по крайней мере по возможности к нему приближалось. К этому надо еще прибавить, что при последовательном соединении внутреннее сопротивление возрастает пропорционально числу соединенных пар, а при параллельном сопротивление, напротив, уменьшается пропорционально этому числу. Поэтому на телеграфных линиях, представляющих большое сопротивление гальваническому току, батареи состоят из последовательно соединенных элементов; в хирургических операциях (гальванокаустика) нужна батарея из параллельно соединенных элементов. Изображенная на черт. 3 (I) батарея представляет наилучшее соединение из 8 элементов для действия на внешнее сопротивление, которое вдвое больше внутреннего сопротивления единичного элемента. Если бы внешнее сопротивление было вчетверо меньше, чем в первом случае, то батарее надо дать вид черт. 3 (II). Это следует из расчетов по формуле Ома. [Об элементах и батареях см. сочинение Niodet (в русском переводе Д. Голова - "Электрические элементы" 1891); менее подробно: "Die galvanischen Batterien", Hauck, 1883. Статьи в журнале "Электричество", 1891 и 1892 гг.]

Сравнение гальванических элементов между собой. Замечания, сюда относящиеся, были отчасти приведены при описании элементов. Достоинство гальванического элемента измеряется силой тока, им развиваемого, и продолжительностью его действия, а именно произведением первой величины на другую. Если принять за единицу силы тока ампер (см. Гальванический ток), а за единицу времени - час, то можно измерять работоспособность гальванического элемента ампер-часами. Например, аккумуляторы, смотря по размерам, могут дать от 40 до 90 ампер-часов. О способах измерения работы, доставляемой электрическим током, эквивалентной работе так называемой паровой лошади в продолжение одного часа - см. Работа, Энергия электрического тока.

В современных условиях наиболее распространенными химическими источниками тока являются гальванические элементы. Несмотря на их отдельные недостатки, они получили широкое распространение в электронике, проводится постоянная работа по их совершенствованию. Принцип работы гальванического элемента достаточно прост. В водный раствор серной кислоты погружаются медная и цинковая пластины, которые, затем, играют роль положительного и отрицательного полюса.

Принцип действия гальванического элемента

При соединении полюсов с помощью проводника происходит появление простейшей электрической цепи. Протекание тока внутри элемента будет происходить от отрицательного заряда к положительному, то есть от цинковой пластины к медной. Движение заряженных частиц по внешней цепи будет осуществляться в обратном направлении.

При воздействии электрического тока движение остатков серной кислоты, а также ионов водорода будет происходить в различных направлениях. При этом, водород передает заряд на медную пластину, а остаток кислоты - на цинковую пластину. Таким образом, на клеммах будет осуществляться поддержка напряжения. Одновременно, на медной пластине оседают пузырьки водорода, ослабляющего общее действие элемента и создающего дополнительное напряжение. Такое напряжение известно, как электродвижущая сила поляризации. Чтобы избежать этого явления, в состав вводится вещество, способное поглощать атомы водорода и выполнять функцию деполяризации.

Гальванические элементы: преимущества и недостатки

Для изготовления современных гальванических элементов используются самые различные материалы. Наиболее распространенными являются материалы на основе угольно-цинковых элементов, используемых для пальчиковых .

Их основным положительным качеством считается относительно низкая стоимость. Однако, такие элементы обладают невысокой мощностью и небольшим сроком хранения. Наиболее оптимальным вариантом служит использование щелочных элементов. Здесь в качестве электролита выступает не уголь, а раствор щелочи. При разрядке не происходит выделение газа, что позволяет обеспечить полную герметичность. Щелочные элементы отличаются более высоким сроком хранения.

Общий принцип работы гальванического элемента для всех их видов совершенно одинаковый. Например, элементы на основе оксида ртути конструктивно напоминают щелочные. Они отличаются повышенной устойчивостью к высокой температуре, высокой механической прочностью и стабильным значением напряжения. Недостатком является токсичность ртути, требующая осторожного обращения с отработанными элементами.

Гальванический элемент - это химический источник тока, в котором энергия, выделяющаяся при протекании на электродах окислительно-восстановительной реакции, непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

Рис. 9.2. Схема гальванического элемента Даниэля - Якоби

Здесь I - стакан, содержащий раствор ZnSO 4 в воде с погруженной в него цинковой пластинкой; II - стакан, содержащий раствор CuSO 4 в воде с погруженной в него медной пластинкой; III - солевой мостик (электролитический ключ), который обеспечивает перемещение катионов и анионов между растворами; IV - вольтметр (нужен для измерения ЭДС, но в состав гальванического элемента не входит).

Стандартный электродный потенциал цинкового электрода . Стандартный электродный потенциал медного электрода . Так как , то атомы цинка будут окисляться:

Электрод, на котором идет реакция восстановления или которыйпринимает катионы из электролита , называется катодом.

Через электролитический ключ происходит движение ионов в растворе: анионов SO 4 2- к аноду, катионов Zn 2+ к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

Реакции (а) и (б) называются электродными реакциями.

Складывая уравнения процессов, протекающих на электродах, получаем суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в гальваническом элементе:

В общем случае, суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в произвольном гальваническом элементе, можно представить в виде:

Схема гальванического элемента Даниэля - Якоби имеет вид:

Zn | ZnSO 4 || CuSO 4 | Cu

Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента Е . Она вычисляется по формуле;

где n - число электронов в элементарном окислительно-восстановительном акте, F - число Фарадея.

Величина изменения изобарно-изотермического потенциала токообразующей реакции при стандартных условиях?G 0 связана с константой равновесия этой реакции К равн соотношением

(9.6)

Гальванические элементы являются первичными (однократно используемыми) химическими источниками тока (ХИТ). Вторичными (многократно используемыми) ХИТ являются аккумуляторы. Процессы, протекающие при разряде и заряде аккумуляторов, взаимнообратны.

Гальванические элементы, у которых электроды выполнены из одного и того же металла и опущены в растворы своих солей разной концентрации, называются концентрационными . Функцию анода в таких элементах выполняет металл, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, например:

Пример 1. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция: Mg + ZnSO 4 = MgSO 4 + Zn. Что является катодом и анодом в этом элементе? Напишите уравнения процессов, протекающих на этих электродах. Рассчитайте ЭДС элемента при стандартных условиях. Вычислите константу равновесия для токообразующей реакции.

Если отсутствует электрическая сеть, то для питания электроприборов применяют гальванические элементы и аккумуляторы, называемые иначе химическими источниками тока. Рассмотрим принцип их работы на примере первого простейшего элемента – элемента Вольта (рис. 1). Он состоит из медной (Сu) и цинковой (Zn) пластинок, опущенных в раствор серной кислоты (H2SO4). Вследствие химической реакции, происходящей между цинком и серной кислотой, на цинке образуется излишек электронов. Цинк заряжается отрицательно и является отрицательным полюсом. Раствор и медная пластинка, в него погруженная, заряжаются положительно. В результате возбуждается ЭДС, равная примерно одному вольту, которая сохраняется все время, пока цепь не замкнута.
Если замкнуть цепь, пойдет ток и внутри элемента усиленно начнет выделяться водород, покрывающий поверхность пластинок слоем пузырьков. Этот слой уменьшает напряжение на полюсах элемента. Такое явление носит название поляризации. Чем больше ток, тем сильнее поляризация и тем быстрее уменьшается напряжение элемента.

Рис.1. Простейший гальванический элемент Вольта.
Для устранения поляризации в элемент вводят вещества, способные поглощать водород и называемые деполяризаторами. Чтобы напряжение на полюсах оставалось постоянным, деполяризатор должен быстро поглощать водород, образующийся при работе элемента. Поглощая водород, деполяризатор постепенно приходит в негодность. Но обычно раньше этого портится электролит и под действием электролита разъедается цинк. Вообще электрическая энергия получается в элементе за счёт расхода цинка, электролита и деполяризатора; поэтому каждый элемент обладает определенным запасом энергии и может работать лишь ограниченное время.
Работа гальванических элементов объясняется с помощью теории электролитической диссоциации, согласно которой молекулы вещества, растворенного в воде распадаются (диссоциируют) на, ионы. Такое явление характерно для всех электролитов, представляющих собой растворы кислот, щелочей и солей. В элементе Вольта молекула серной кислоты (H2SO4) в водном растворе распадаются на отрицательный ион кислотного остатка (SO4) и положительный ион водорода (H2), что показано на рис. 2.
Химическая реакция между цинком и серной кислотой состоит в том, что положительные ионы цинка переходят в раствор, притягиваясь к отрицательным ионам электролита. При этом цинковый электрод сам заряжается отрицательно. Между ним и электролитом возникает разность потенциалов, а следовательно, и электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу положительных ионов цинка в раствор. Поэтому создается некоторое равновесие с определенной разностью потенциалов между цинком и раствором. Для других металлов и растворов значение разности потенциалов будет иное.
Чтобы использовать возникшую разность потенциалов, в электролит помещают второй электрод, выполненный из другого металла. Если второй электрод – цинковый, то между ним и растворов получится такая же разность потенциалов, как у первого электрода но она будет действовать навстречу, и результирующая разность потенциалов между электродами будет равна нулю. У элементов отрицательный электрод, как правило, цинковый, а положительный электрод обычно медный или угольный.
Если соединить электроды элемента проводником, т. е. создать замкнутую цепь, то под действием разности потенциалов по внешней цепи от цинка будут двигаться электроны. Так как они уходят с цинкового электрода, то его отрицательный потенциал начинает уменьшаться и электрическое поле между ним и раствором ослабевает. Но тогда новые положительные ионы цинка переходят в раствор. Тем самым поддерживается определенный отрицательный потенциал цинкового электрода.

Рис.2. Ионы в электролите элемента Вольта.
При работе элемента непрерывно происходит растворение цинка в электролите, который постепенно превращается в раствор сернокислого цинка (ZnSO4). Положительные ионы цинка, переходящие все время в электролит, притягивают к себе отрицательные ионы кислотного остатка. Эти ионы в электролите данжутся в направлении от медной пластинки к цинковой. Зато положительные ионы водорода отталкиваются положительными ионами цинка и движутся в обратном направлении, то есть от цинка к меди. Таким об разом, если во внешней цепи ток представляет собой движение электронов (как и всегда в металлических проводниках), то в электролите ток является перемещением положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях. Ионы водорода подходят к медной пластинке и отнимают от нее электроны, превращаясь в нейтральные атомы. Вследствие этого на медной пластинке поддерживается определенный положительный потенциал, несмотря на то, что к ней из внешней цепи прибывают электроны. Однако медная пластинка постепенно покрывается слоем водорода. Между этим слоем и электролитом возникает разность потенциалов, действующая навстречу основной разности потенциалов, имеющейся между электродами. Возникновение такой противоэлетродвижущей силы и называется поляризацией элемента. Вследствие поляризации результирующая разность потенциалов уменьшается и действие элемента ухудшается.
Гальванические элементы характеризуются разными параметрами и прежде всего электродвижущей силой, внутренним сопротивлением, максимальным допустимым разрядным током и емкостью.
Электродвижущая сила обусловливается типом элемента, то есть материалом его электродов, веществом электролита и деполяризатора. Она совершенно не зависит от размеров элемента (размеров его электродов), количества электролита и количества деполяризатора.
Внутреннее сопротивление элемента зависит не только от его типа, но и от его размеров, а также от того, как долго работал элемент. Чем больше размеры элемента, тем меньше его внутреннее сопротивление. По мере работы элемента внутреннее сопротивление растет. Оно особенно резко возрастает у истощившихся элементов. Внутреннее сопротивление у элементов в начале их работы обычно бывает от единиц ом до десятых долей ома. Когда элемент присоединен к замкнутой цепи, напряжение на его зажимах всегда несколько меньше ЭДС и снижается при увеличении тока, так как возрастает потеря части ЭДС на внутреннем сопротивлении элемента. Иногда для элементов указывают напряжение при максимальном разрядном токе в начале работы элемента (начальное напряжение).
Каждый элемент можно разряжать током до определённого значения. Чрезмерно большой ток вызовет ускоренную поляризацию и напряжение быстро станет недопустимо низким. Подобное же явление, но в ещё большей степени происходит при коротком замыкании элемента. У большинства элементов максимальный допустимый разрядный ток составляет доли ампера. Чем больше размеры элемента, тем больше этот ток. Превышение тока приводит и быстрому истощению элемента.
Емкостью элемента называют количество электричества, которое он способен отдать при разряде током не свыше максимального допустимого. Обычно емкость элементов измеряют в ампер-часах (а-ч), то есть произведением разрядного тока в амперах и числа часов работы элемента. Элемент считают разряженным, если его напряжение уменьшилось примерно на 50 % по сравнению с первоначальным значением.
Время работы элемента можно определить, разделив емкость в ампер-часах на разрядный ток в амперах. При этом ток не должен превышать максимального допустимого значения.
Емкость элемента зависит от количества цинка, электролита и деполяризатора. Чем больше размеры элемента, тем больше количество входящих в его состав веществ и тем больше емкость. Кроме того, емкость зависит от разрядного тока, а также от перерывов во время разряда и их длительности. Нормальная емкость элемента соответствует максимальному допустимому разрядному току при непрерывном разряде. Если ток меньше максимального и если разряд происходит с перерывами то емкость увеличивается, а при токе свыше максимального ёмкость снижается, так как часть деполяризатора не участвует в реакциях. Емкость также уменьшается с понижением температуры. Поэтому расчет времени работы элемента по его номинальной емкости и разрядному току является приближенным.
2. МАРГАНЦОВО – ЦИНКОВЫЕ
И ОКСИДНО – РТУТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.
Широкое распространение получили марганцово – цинковые (МЦ) сухие элементы с деполяризатором из диоксида марганца.
Сухой элемент стаканчикового типа (рис. 3) имеет цинковый сосуд прямоугольной или цилиндрической формы, являющийся отрицательным электродом. Внутри него помещён положительный электрод в виде угольной
палочки или пластинки, которая находится в мешке, наполненном смесью диоксида марганца с порошком угля или графита. Уголь или графит добавляют для уменьшения сопротивления. Угольный стержень и мешок с деполяризующей массой называют агломератом. В качестве электролита используется паста, составленная из нашатыря (NH4Cl), крахмала и некоторых других веществ. У стаканчиковых элементов центральный вывод является положительным полюсом.
Рабочее напряжение сухого элемента несколько ниже, чем его ЭДС, равная 1,5 В, и составляет примерно 1,3 или 1,4 В. При длительном разряде напряжение по степенно уменьшается, так как деполяризатор не успевает поглощать весь выделяемый водород, и к концу раз ряда оно достигает 0,7 В.

Рис.3. Устройство сухого элемента.
Другая конструкция сухого элемента, так называемого галетного типа, показана на рис. 4. В нем положительным электродом является деполяризующая масса (угольного электрода нет). Галетные элементы имеют значительно лучшие характеристики, нежели стаканчиковые.

Рис. 4. Устройство сухого галетного элемента.
1 – деполяризатор – положительный электрод; 2 – цинк – отрицательный электрод; 3 – бумага;
4 – картон, пропитанный электролитом; 5 – полихлорвиниловая плёнка.
В каждом элементе, имеющем электролит, даже при разомкнутой внешней цепи происходит так называемый саморазряд, в результате которого разъедается цинковый электрод, а также истощаются электролит и деполяризатор. Поэтому сухой элемент при хранении постепенно проходит в негодность и электролит у него высыхает.
Когда сухие элементы полностью разрядятся, их агломераты ещё работоспособны и могут быть использованы для устройства самодельных наливных элементов. Такие элементы имеют агломерат и электрод из листового цинка в растворе нашатыря, находящемся в стеклянном или керамическом или пластмассовом стаканчике. При отсутствии нашатыря можно с несколько худшими результатами применить раствор обычной поваренной соли с небольшой добавкой сахара. Помимо сухих элементов типа МЦ, широко применяются элементы с марганцово – воздушной деполяризацией (МВЦ). Они устроены аналогично элементам МЦ, но у них положительный электрод сделан так, что к диоксиду марганца по особым каналам поступает наружный атмосферный воздух. Кислород воздуха возмещает потерю кислорода диоксидом марганца при деполяризации. Поэтому деполяризация может происходить значительно дольше и емкость элемента увеличивается.
Физико-химические процессы в элементах с диоксидом марганца происходят следующим образом. Нашатырь, то есть хлористый аммоний (NH4Cl), в водном растворе образует положительные ионы аммония (NH4) и отрицательные ионы хлора (Cl). Положительные ионы цинка переходят в раствор и цинк приобретает отрицательный потенциал. При замыкании цепи, когда во внешней цепи электроны движутся в направлении от цинка к углю всё время происходит растворение цинка. Его ионы переходят в электролит, за счёт чего поддерживается отрицательный потенциал цинка. Ионы цинка соединяются с ионами хлора, образуя раствор хлористого цинка (ZnCl2). В то же время ионы NH4 движутся к угольному электроду, отнимают от него электроны и распадаются на аммиак (NH3) и водород. Это происходит по уравнению
2NH4 = 2NH3 + H2.
Выделяющийся водород вступает в соединение с деполяризатором, то есть диоксидом марганца, образуя оксид марганца и воду:
H2 + MnО2 = MnО2 + Н2О.
В последние годы выпускаются еще сухие герметичные МЦ-элементы со щелочным электролитом (КОН). Они бывают цилиндрические, дисковые и галетные, ёмкостъ у них в три – пять раз больше, чем у элементов с электролитом из нашатыря. Кроме того, они допускают несколько циклов подзаряда током с отдачей 10% емкости. У таких элементов центральный электрод цинковый и является минусом, то есть полярность выводов противоположна полярности выводов обычных МЦ-элементов. Элементы со щелочным электролитом применяются для длительной работы, например, в электронных часах. В обозначениях таких элементов впереди ставится буква А.
У всех элементов начальное напряжение составляет примерно 1,3 – 1,5 В, а конечное напряжение равно 0,7 – 1 В. Хранение сухих элементов или батарей в бездействующем состоянии перед их использованием не должно продолжаться более срока, указанного на них; в противном случае сохранение работоспособности не гарантируется. Однако при хранении в течение указанного срока происходит некоторое снижение емкости, но не больше, чем на одну треть.
В последнее время выпускаются ещё малогабаритные оксидно – ртутные (ртутно – цинковые) герметичные элементы, имеющие более высокие качества, нежели элементы типа МЦ. Устройство оксидно – ртутных элементов показано на рис. 5. Элемент имеет стальной корпус состоящий из двух половин, отделенных друг от друга герметизирующей изоляционной прокладкой из резины.
В одну половину корпуса впрессована активная масса из оксида ртути (HgO) с графитом, являющаяся положительным электродом. Отрицательным электродом служит цинковый порошок, впрессованный в другую половину корпуса. Щелочной электролит (КОН) пропитывает пористую прокладку, разделяющую электроды. Эти элементы выпускаются разных размеров и разной емкости (от десятых долей ампер-часа до нескольких ампер-
часов). ЭДС у них составляет примерно 1,35 В. Срок хранения этих элементов 2,5 года. Саморазряд не превышает 1 % в год. По сравнению с МЦ-элементами ртут-

Рис. 5. Устройство герметичного оксиднво-ртутного элемента;
1 – стальной корпус с положительным электродом; 2 – пористая прокладка; 3 – резиновая уплотняющая прокладка; 4 – крышка корпуса с отрицательным электродом.
но – цинковые элементы имеют большую емкость, меньшее внутреннее сопротивление, но более высокую стоимость. Они широко применяются в электронных часах, кардиостимуляторах, фотоэкспонометрах, измерительных приборах. У самых малогабаритных элементов размеры составляют всего лишь несколько миллиметров, а масса – десятые доли грамма.
Важной особенностью оксидно-ртутных элементов является стабильность напряжения при разряде. Только в самом конце разряда напряжение резко падает до нуля.
3. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В БАТАРЕИ.
Выше говорилось, что ЭДС обычного химического элемента приблизительно равна 1,5 В. Для увеличения ЭДС применяют батарею с последовательным соединением элементов. В этом случае “+” одного элемента соединяют с “–” другого и т. д. “Минус” первого и “плюс” последнего являются полюсами всей батареи (рис. 6.).
При последовательном соединении элементов ЭДС возрастает во столько раз, сколько соединено элементов.

Рис.6. Последовательное и параллельное соединение элементов в батарею.
Реже встречается параллельное соединение элементов, при котором положительные полюсы всех элементов соединяются вместе, образуя положительный полюс батареи, а отрицательный полюс батареи получается путем соединения отрицательных полюсов элементов (рис. 6). При параллельном соединении элементов ЭДС батареи не увеличивается, но возрастают емкость и максимальный разрядный ток. Поэтому параллельное соединение применяют, когда нужно получить больший разрядный ток и большую емкость, чем у одного элемента.
Значительно чаще прибегают к смешанному соединению, при котором увеличиваются и ЭДС, и емкость, и максимальный разрядный ток. В этом случае обычно соединяют параллельно несколько групп элементов, а в каждой группе соединяют последовательно столько элементов сколько нужно для получения необходимой ЭДС.

Рис. 7. Смешанное соединение элементов в батарею.
Число параллельных групп определяется необходимой величиной максимального разрядного тока (рис. 7). Вообще желательно составлять батареи из последовательно соединённых элементов с достаточным разрядным током. И только в случае, когда необходимо получить больший ток или увеличенную емкость, прибегают к смешанному соединению. Включение дополнительных элементов по принципу смешанного соединения применяется также для повышения напряжения, если элементы сильно разрядились.
Во время бездействия батареи параллельные группы элементов надо отсоединять друг от друга, так как за счет даже незначительной разницы в ЭДС одна группа может разряжаться на другую.