НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ШКОЛЬНИКОВ КИРОВСКОГО РАЙОНА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА |
Изготовление нестандартных гальванических элементов и исследование их эффективности |
Секция: химия Вид работы: исследовательская Выполнил: Симонов Никита, 10 класс ГБОУ лицея № 000 Кировского района Санкт-Петербурга |
Руководитель: , учитель химии ГБОУ лицея № 000 Кировского района Санкт-Петербурга |
Санкт-Петербург 2013 г. |
Оглавление
Введение. 3
Глава 1. Гальванические элементы.. 3
1.1. Гальванические источники тока одноразового действия. 3
1.2. Характеристики гальванических элементов. 6
1.3. Типы гальванических элементов. 7
1.3.1. Марганцово-цинковый (угольно-цинковый) элемент. 8
1.3.2. Воздушно (кислородно) - цинковый элемент. 9
1.3.3. Ртутно-цинковый гальванический элемент. 9
1.3.4. Свинцовый элемент. 9
1.3.5. Щелочные элементы.. 10
1.3.6. Литиевые элементы.. 10
Выводы к главе 1. 10
Глава 2. Изготовление нестандартных гальванических элементов и исследование их эффективности 11
2.1. Методика проведения эксперимента. 11
2.2. Результаты эксперимента. 11
Выводы к главе 2. 12
Заключение. 12
Источники информации. 13
Приложение 1. 14
Приложение 2. 15
Приложение 3. 16
Глоссарий. 18
Введение
Химические источники тока прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых химических источников тока. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили.
Современные приборы, используемые человеком в быту, работают с использованием энергии, получаемой с помощью гальванических элементов. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако, число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ. В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель-железные и никель-кадмиевые. Они применяются в мобильных средствах связи, аварийном освещении и пр. В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно-важных систем.
Возможно ли изготовить эффективный гальванический элемент самостоятельно? Какие вещества можно использовать для получения электрической энергии в таких источниках тока? Насколько эффективны для использования нестандартные гальванические элементы? В данной работе осуществляется поиск ответов на эти вопросы.
Таким образом, объектом исследования выбраны нестандартные гальванические элементы.
Предмет исследования - окислительно-восстановительные процессы в гальванических элементах и их эффективность.
Целью работы является изучение возможности создания эффективных гальванических элементов с использованием доступных в быту материалов и веществ.
Гипотеза исследования: можно изготовить нестандартный гальванический элемент, способный дать нужное количество электрического тока для того, чтобы зарядить мобильный телефон.
Методы исследования: изучение теоретических основ по теме, химический эксперимент.
Глава 1. Гальванические элементы
1.1. Гальванические источники тока одноразового действия
Гальванические элементы - единичные ячейки химических источников тока, предназначенных для однократного электрического разряда (непрерывного или прерывистого).[1] Гальванические элементы – это устройства для прямого преобразования химической энергии заключенных в них реагентов в электрическую. Гальванические элементы – это источники тока, в которых вещества, образовавшиеся в процессе разряда, не могут быть превращены в исходные активные материалы.[2] После разряда гальванические элементы теряют работоспособность. Иногда термин "гальванические элементы" применяют для обозначения единичных ячеек аккумуляторных батарей для многократного использования. Гальванические элементы представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит, и электроды (анод и катод), поэтому они называются сухими элементами. Этот термин используется применительно ко всем элементам с невыливающимся электролитом (загущенным или твердым). Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.
Главные составные части гальванических элементов: два электрода и электролит. Обычно электроды - это металлические пластинки или сетки, на которые нанесены реагенты ("активные вещества"); на отрицательный электрод - восстановитель (Zn, Li и др.), на положительный - окислитель (оксиды Mn, Hg и др., а также соли). Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов, погруженных в раствор электролита (рис. 1). Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление – на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи. На каждом из электродов, погруженных в электролит, устанавливается определенный потенциал (окислительно-восстановительный потенциал данной электродной реакции); разность этих потенциалов в отсутствие тока называется напряжением разомкнутой цепи (НРЦ). При соединении электродов между собой с помощью внешней электрической цепи электроны начинают перетекать от анода к катоду - возникает электрический ток. Суммарная электрохимическая реакция на обоих электродах называется токообразующей; по мере ее протекания восстановитель отдает, а окислитель присоединяет электроны. Ток прекращается при размыкании внешней цепи, а также после израсходования запаса хотя бы одного из реагентов.
Рис. 1. Схема гальванического элемента
Гальванический элемент представляет собой замкнутую систему, состоящую из двух гальванических полуэлементов (гальванических пар). Принцип работы ГЭ рассмотрим на примере медно-цинкового гальванического элемента (элемента Даниэля - Якоби) (рис. 2). Он состоит из медной пластины, погруженной в раствор CuSO4 и цинковой пластины, погруженной в раствор ZnSO4: (-) A Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu K (+). Источником электрич. энергии служит своб. энергия хим. р-ции Zn + CuSO4→ZnSO4 + Сu.
На поверхности цинковой пластины образуется двойной электрический слой и устанавливается равновесие: Zn ↔ Zn2+ + 2e−. В результате протекания этого процесса возникает электродный потенциал цинка: φа = - 0,76 В.
На поверхности медной пластины также образуется двойной электрический слой и устанавливается равновесие: Cu ↔ Cu2+ + 2e−, поэтому возникает электродный потенциал меди: φк = + 0,34 В.
Рис. 2. Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби
Вследствие большей активности цинка с его поверхности уходит больше ионов и на поверхности металлической пластины возникает больший избыток электронов. Поэтому при замыкании внешней цепи, т. е. при соединении цинка с медью металлическим проводником, электроны будут переходить от цинка к меди. В результате этого процесса равновесие на цинковом электроде сместится вправо, поэтому в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. В то же время равновесие на медном электроде сместится влево и произойдет разряд дополнительного количества ионов меди.
Таким образом, при замыкании внешней цепи возникают самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и выделения меди на медном электроде. Данные процессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются потенциалы электродов или не растворится цинковая пластина (или не высадятся из раствора все ионы меди).
Итак, при работе медно-цинкового элемента протекают следующие основные процессы:
1) реакция окисления цинка на аноде:
2) реакция восстановления ионов меди на катоде:
3) движение электронов во внешней цепи;
4) движение ионов в растворе.
При суммировании электродных реакций получается: Zn0 + Cu2+ = Cu0 + Zn2+.
Внутри гальванического элемента идет химическая реакция, а во внешней цепи элемента протекает электрический ток, т. е. в гальваническом элементе происходит превращение химической энергии в электрическую. С помощью гальванического элемента можно совершать электрическую работу за счет энергии химической реакции. Когда-то элемент Даниэля - Якоби применялся на практике для получения электрической энергии. С точки зрения современных требований он не пригоден для производства больших количеств электрической энергии, в частности потому, что используемые в нем материалы (медь и цинк) слишком дороги для этих целей. Важнейшей задачей исследований в области гальванических элементов является разработка такого элемента, в котором использовались бы дешевые и имеющиеся в достаточном количестве материалы, а процессы протекали бы возможно ближе к обратимым.
В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако, число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.
1.2. Характеристики гальванических элементов
Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, емкостью и энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь.
ЭДС (электродвижущая сила) гальванического элемента равна разности потенциалов электродов (катода и анода): Eэ = jк - jа.
Величину ЭДС гальванического элемента можно рассчитать по известному значению энергии Гиббса токообразующей реакции по формуле:
где F - число Фарадея, F = 96500 Кл/моль; ΔG - изменение энергии Гиббса токообразующей реакции; n - число электронов, участвующих в электрохимическом процессе на электродах. С точки зрения термодинамики величина ЭДС зависит от свойств материалов, концентрации электролита, температуры электродов и электролита и не зависит от формы, величины, внутреннего сопротивления элемента и т. д.
Напряжение элемента U меньше ЭДС из-за поляризации электродов и потерь сопротивления: U = Eэ - I·(R1 - R2) - ΔE, где Eэ - ЭДС элемента; I - сила тока; R1 и R2 - сопротивление проводников первого и второго рода внутри элемента; ΔE - поляризация элемента, равная сумме катодной и анодной поляризаций.
Таким образом, работающий гальванический элемент дает разность потенциалов меньше, чем ЭДС, и это уменьшение зависит от величины разрядного тока. Чем больше сила тока гальванического элемента, тем меньше напряжение элемента и тем ниже его КПД. По мере работы элемента (разряда) уменьшается концентрация исходных реагентов и растет концентрация продуктов реакции, поэтому в соответствии с уравнением Нернста ЭДС элемента уменьшается. Кроме того, возрастает поляризация элемента - разность потенциалов, препятствующая прохождению электрического тока. Поэтому при разряде элемента напряжение его постепенно падает. Чем меньше меняется напряжение элемента, тем больше возможностей его применения.
Емкость элемента - это количество энергии, которую источник тока может запасти или отдать при разряде.
Энергию элемента, которую он отдает во внешнюю цепь, работая соответственно при постоянном токе I (AI) или постоянном сопротивлении R (AR) можно определить по формулам:
где Uср. - среднее напряжение при разряде элемента; t - время разряда элемента.
Важной характеристикой элемента служит удельная энергия, т. е. энергия, отнесенная к единице массы или объема элемента. Так как при увеличении тока напряжение элемента падает, то энергия и удельная энергия элемента тоже падают. Более высокую удельную энергию можно получить в элементах с большим значением ЭДС, малой поляризацией и высокими степенями превращения реагентов.
Так как клеммовое напряжение одного гальванического элемента невелико, то обычно их последовательно соединяют друг с другом в батарею элементов. Для увеличения тока гальванические элементы соединяют в батарею параллельно. В таблице 1 (приложение 1) приведены параметры наиболее широко распространенных гальванических элементов.
Установлено, что принципиально нельзя создать гальванический элемент, состоящий из одних только металлов. В месте контакта двух металлов возникает разность потенциалов, причем ее величина остается неизменной независимо от того, соприкасаются ли эти металлы непосредственно или между ними находится любое количество пластин из других металлов (правило Вольта). Например, в месте контакта медного и цинкового стержней возникает разность потенциалов (Е), но она не может вызвать электрический ток. Если соединить медный стержень с цинковым при помощи медного провода, то никакого электрического тока не появится, так как в месте контакта медного провода с цинковым стержнем возникает разность потенциалов той же величины, что и в месте контакта медного и цинкового стержней, но противоположного знака (-Е). И во всей замкнутой цепи разность потенциалов суммарно равняется нулю (Е-Е=0). Однако ток не потечет и в том случае, если между медью и цинком поместить другие металлы (например, Fe, Pb). Чтобы получить гальванический элемент, необходим по крайней мере один электролит, то есть такое вещество, через которое ток протекает вследствие миграции положительных и отрицательных ионов. Можно составить гальванические элементы, содержащие одни электролиты. Однако все применяемые на практике гальванические элементы состоят из электролитов и металлов. В каждом гальваническом элементе имеются два металлических электрода (полюса), между которыми возникает разность потенциалов (напряжение). Если соединить оба электрода проводником, то в нем потечет электрический ток. Источником электрической энергии в гальванических элементах являются химические превращения, происходящие в тех местах, где электролит соприкасается с металлическими электродами.
1.3. Типы гальванических элементов
Стремление преодолеть трудности, вызванные утечкой раствора электролита из таких элементов, как элемент Даниэля - Якоби, послужило толчком к разработке сухих элементов. Удобство таких портативных источников тока заключается в том, что все их составные части представляют собой твердые или пастообразные вещества, упаковка которых предотвращает их попадание на окружающие предметы.
1.3.1. Марганцово-цинковый (угольно-цинковый) элемент
Это наиболее распространенный элемент из всех применяемых в настоящее время гальванических элементов. Анодом сухого элемента служит цинковый электрод, катодом - графитовый стержень, окруженный слоем оксида марганца (IV) и углерода. В качестве электролита используется паста из хлорида цинка, хлорида аммония и воды. На рис. 3 представлена конструкция марганцово-цинкового гальванического элемента.
Рис. 3. Сухой марганцово-цинковый элемент
Схема этого элемента:
На электродах сухого элемента протекают полуреакции:
анод
катод
Имеющиеся в растворе ионы NH4+ и Cl - при работе элемента движутся в направлениях, обусловленных процессами, протекающими на электродах. Так как у цинкового электрода катионы Zn2+ выходят в раствор, то ионы Cl - движутся к аноду, а ионы NH4+ - к катоду. Таким образом, раствор во всех его частях остается электронейтральным. Суммарная токообразующая реакция описывается уравнением:
Элемент имеет напряжение 1,4-1,6 B, удельную энергию 10-50 Вт·ч/кг.
Достоинством этих элементов является их относительно низкая стоимость.
К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5-10 Вт·ч/кг) и малый срок хранения. Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита.
Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.
Марганцово-цинковые элементы и батареи широко применяются в качестве источников электропитания различных измерительных приборов, карманных фонарей, радиоаппаратуры.
1.3.2. Воздушно (кислородно) - цинковый элемент
В этом элементе анодом является цинковый электрод. Катод выполнен из смеси активированного угля с графитом, поры катода заполнены воздухом, кислород которого является активным веществом. В качестве электролита используются растворы NH4Cl или NaOH. Схемы таких элементов: (-) Zn | NH4Cl || O2, C (+) или (-) Zn | NaOH || O2, C (+). При работе элементов протекают следующие окислительно-восстановительные реакции:
2Zn + O2 + 4NH4Cl = 2ZnCl2 + 4NH3 + 2H2O или 2Zn + O2 + 4NaOH = 2Na2ZnO2 + 2H2O.
В воздушно-цинковых элементах окислителем вместо относительно дорогих оксидов металлов служит О2 воздуха, который участвует в реакции на электроде, изготовленном из каталитически активного угля. Специальное отверстие в крышке обеспечивает свободный доступ воздуха к электроду. Отсутствие заложенного запаса окислителя обеспечивает высокие значения удельной энергии - до 250 Вт·ч/кг. Недостатки этих элементов - небольшое значение разрядного тока и сравнительно быстрый саморазряд, что обусловлено взаимодействием щелочного электролита с окружающей атмосферой. В результате электролит высыхает либо взаимодействует с СО2 воздуха (карбонизируется). Поэтому такие элементы пока не получили широкого распространения.
1.3.3. Ртутно-цинковый гальванический элемент
Такие элементы сохраняют работоспособность в широком интервале температур: от -5 °C до +70°C и находят применение в портативных радиоприемниках и передатчиках, слуховых аппаратах, кардиостимуляторах. Работа этого элемента основана на окислении цинка оксидом ртути (II) в щелочной среде. Схема элемента: (-) Zn | KOH || HgO, C (+). Суммарное уравнение токообразующей реакции: Zn + HgO + 2KOH = Hg + K2ZnO2 + H2O. Напряжение элемента 1,0 - 1,3 B, удельная энергияBт·ч/кг.
1.3.4. Свинцовый элемент
Это элемент наливного типа. Электролитом является хлорная кислота HClO4, которая заливается в элемент для приведения его в рабочее состояние.
Схема элемента: (-) Pb | HClO4 || PbO2 (+).
Процессы, протекающие на электродах:
на аноде: |
|
на катоде: |
|
Суммарное уравнение электрохимического процесса:
PbO2 + 4HClO4 + Pb = 2Pb(ClO4)2 + 2H2O.
Свинцовые элементы способны работать при низких температурах (до -60 °C).
1.3.5. Щелочные элементы
В щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом.
Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, вследствие чего выделение газа при разряде фактически отсутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для их применения.
1.3.6. Литиевые элементы
В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. В литиевых элементах на основе апротонных растворителей восстановителем служит тонкий лист Li, напрессованный на пластину или сетку из Ni или Сu. Окислители – твердые: МпО2 или фторированный графит. Разработаны элементы с растворителями, выполняющими одновременно роль окислителя, - жидким SOC12 или сжиженным SO2. Toкообразующие реакции приводят к непосредственному восстановлению молекул растворителя под действием Li.
При использовании расплавленных или твердых электролитов такие гальванические элементы могут работать при повышенных температуpax. Они обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.
Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом по отношению ко всем металлам, литиевые элементы характеризуются наибольшим номинальным напряжением при минимальных габаритах. Ионная проводимость обеспечивается введением в растворители солей, имеющих анионы больших размеров.
К недостаткам литиевых элементов следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны. Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.
В таблице 2 (приложение 2) представлены характеристики некоторых из представленных гальванических элементов.
Выводы к главе 1
Анализ теоретических основ по теме исследования показывает, что гальванические элементы - это устройства для прямого преобразования химической энергии реагентов в электрическую. Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из разных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление – на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи. При соединении электродов между собой с помощью внешней электрической цепи электроны начинают перетекать от анода к катоду - возникает электрический ток.
Электрическую энергию может дать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако, число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.
Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, емкостью и энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь. Источником электрической энергии в гальванических элементах являются химические превращения, происходящие в тех местах, где электролит соприкасается с металлическими электродами.
Наибольшее распространение в настоящее время получили сухие гальванические элементы. Удобство таких портативных источников тока заключается в том, что все их составные части представляют собой твердые или пастообразные вещества, упаковка которых предотвращает их попадание на окружающие предметы.
Глава 2. Изготовление нестандартных гальванических элементов и исследование их эффективности
2.1. Методика проведения эксперимента
В качестве модели гальванического элемента в данной работе был выбран медно-цинковый гальванический элемент Даниэля – Якоби.
Для изготовления гальванических элементов использовались материалы и вещества, доступные каждому человеку в быту. В качестве электродов были взяты железный гвоздь и медная проволока. Их втыкали в лимон, картофелину и почву, пропитанную соляным раствором, опускали в соляной раствор и в полученных гальванических элементах измеряли напряжение электрического тока с помощью вольтметра.
Соединив электроды с вольтметром, по очереди втыкаем их в картофелину, лимон, почву, пропитанную соляным раствором, и опускаем в 10 %-ный раствор поваренной соли. Измеряем напряжение. Приложение 3 содержит фотоотчет (рис. 4 – 6) о проведенном эксперименте.
Для проверки эффективности полученных гальванических элементов к ним подключали светодиод и мобильный телефон.
2.2. Результаты эксперимента
Результаты измерений таковы:
Источник электролита | Количество | Напряжение, В |
Картофель | 1 штука | 0,8 – 1 |
Соляной раствор (10 %-ный) | 200 мл | 0,6 – 0,7 |
Почва, пропитанная соляным раствором | 200 мл | 0,4 – 0,6 |
Лимон | 1 штука | 0,7 – 0,9 |
Наиболее эффективны «фруктовые» и «овощные» батарейки. Соки фруктов и овощей содержат растворенные электролиты - соли и органические кислоты. Их концентрация не очень высока, но использование их в качестве электролита в гальванических элементах эффективнее, чем соляной раствор. Приведенные цифры не следует воспринимать как абсолютные. Напряжение такой батарейки зависит от концентрации ионов водорода (а также - других ионов) в соке фруктов и овощей, скорости диффузии кислорода, состояния поверхности электродов и других факторов. Можно соединить несколько нестандартных батареек последовательно - это увеличит напряжение пропорционально количеству взятых фруктов или овощей.
Проверка эффективности работы нестандартных гальванических элементов показала, что можно их использовать для подключения ламп низкой мощности и подзарядки аккумулятора мобильного телефона. Но для этого требуется несколько элементов соединить вместе:
Прибор | Количество лимонов |
Лампа | 3 |
Мобильный телефон | 7 |
Основные результаты исследования таковы: возможно изготовить гальванический элемент из доступных в быту веществ. Знания о принципах работы гальванических элементов может пригодиться человеку в экстренных ситуациях.
Выводы к главе 2
Можно изготовить гальванический элемент из доступных в быту веществ и приспособлений. В качестве электродов можно использовать проволоку, пластинки и т. п. из разных металлов. Электролиты содержатся в соках фруктов и овощей, а также можно использовать соляной раствор.
Эффективность таких гальванических элементов зависит от многих факторов: концентрации ионов водорода (других ионов) в растворе электролита, скорости диффузии кислорода, состояния поверхности электродов и др. Можно увеличить получаемое напряжение, собрав батарею из нескольких гальванических элементов.
Нестандартные гальванические элементы дают достаточно энергии для того, чтобы включить светодиодную лампу или зарядить аккумулятор мобильного телефона.
Заключение
Достигнута цель и подтверждена гипотеза, поставленные в данной работе. Возможно изготовить гальванический элемент из доступных в быту веществ.
Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из разных металлов и погруженных в раствор электролита. Электрическую энергию может дать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако, число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами.
Для изготовления нестандартных гальванических элементов можно использовать проволоку, пластинки и т. п. из разных металлов и электролиты, содержащиеся в соках фруктов и овощей, а также соляной раствор. Наиболее эффективны «фруктовые» и «овощные» батарейки. Напряжение такой батарейки зависит от концентрации ионов водорода (а также - других ионов) в соке фруктов и овощей, скорости диффузии кислорода, состояния поверхности электродов и других факторов. Можно соединить несколько нестандартных батареек последовательно - это увеличит напряжение пропорционально количеству взятых фруктов или овощей.
Знания о принципах работы гальванических элементов может пригодиться человеку в экстренных ситуациях.
Перспективным направлением данного исследования представляется проведение количественного анализа, с помощью которого можно определить ёмкостные возможности нестандартных гальванических элементов.
Источники информации
1. Багоцкий элементы. Статья. Химическая энциклопедия. URL: http://www. *****/encyklopedia/914.html (дата обращения 20.01.2013)
2. Гальванические элементы. URL: http://*****/galvan/ (дата обращения 08.12.2012)
3. Гальванические элементы. Аккумуляторы. Реферат / , г. Кызыл, ТГУ, ФМФ – 2001г. URL: http://www. /refs/1/31339/1.html (дата обращения 15.11.2012)
4. Магомедов возобновляемые источники энергии. URL: http://www. *****/alterEnergy/56.htm (дата обращения 20.01.2013)
5. Химические источники тока. URL: http://www. *****/external/onh/Lections/HIT/HIT. htm (дата обращения 20.01.2013)
6. Электрохимические процессы. URL: http://www. *****/external/onh/Lections/Electrochem/Electrohim. html (дата обращения 20.01.2013)
7. БСЭ. Словарь. URL: http://slovari. ***** (дата обращения 20.01.2013)
8. Химическая энциклопедия. URL: http://www. ***** (дата обращения 20.01.2013)
Приложение 1
Таблица 1. Параметры гальванических элементов
Элемент (электрохимическая система) | Рабочее напряжение, В | Рабочая температура,°С | Удельная мощность, Вт/кг | Удельная энергия, Вт·ч/кг | Сохранность в активном состоянии, годы |
| 1,0 – 1,25 | -20 - +60 | 1 – 10 | 10 – 70 | до 1 |
Zn | KOH || MnO2 | 1,1 – 1,3 | -40 - +60 | 2 – 30 | 20 – 90 | до 1 |
Zn | KOH || HgO | 0,9 – 1,3 | -5 - +70 | 1 – 20 | 50 – 130 | до 2 |
Mg | NaCl || CuCl | 1,1 – 1,4 | до –70 | до 400 | 30 – 65 | до 10 |
Zn | H2SO4 || PbO2 | 2,1 – 2,5 | - | 24 – 500 | 20 – 70 | часы |
Zn | KOH || AgO | 1,35 – 1,5 | - | 100 – 800 | 75 – 160 | сутки |
Pb | HClO4 || PbO2 | 1,6 – 1,8 | до – 60 | - | 20 – 40 | часы |
ZnCl2 || Cl2, C | 1,5 – 1,8 | - | 40 - 60 | 1 час |
Приложение 2
Таблица 2. Виды гальванических элементов
Тип | Катод | Электролит | Анод | Напряжение, В |
Марганцево-цинковый элемент | MnO2 | KOH | Zn | 1.56 |
Марганцево-оловянный элемент | MnO2 | KOH | Sn | 1.65 |
Марганцево-магниевый элемент | MnO2 | MgBr2 | Mg | 2.00 |
Свинцово-цинковый элемент | PbO2 | H2SO4 | Zn | 2.55 |
Свинцово-кадмиевый элемент | PbO2 | H2SO4 | Cd | 2.42 |
Свинцово-хлорный элемент | PbO2 | HClO4 | Pb | 1.92 |
Ртутно-цинковый элемент | HgO | KOH | Zn | 1.36 |
Ртутно-кадмиевый элемент | HgO2 | KOH | Cd | 1.92 |
Окисно-ртутно-оловянный элемент | HgO2 | KOH | Sn | 1.30 |
Приложение 3
Глоссарий
№ | Термин | Определение | Источник информации |
1. | Анод | (от греч. ánodos — подъём, восхождение, от aná — вверх и hodós — путь, движение), положительный электрод источника электрического тока | Анод. БСЭ. URL: http://slovari. ***** |
2. | Восстановитель | вещества, отдающие электроны в окислительно-восстановительных реакциях | Восстановители. Химическая энциклопедия. URL: http://www. *****/encyklopedia/825.html |
3. | Катод | (от греч. káthodes — ход вниз, от katá — вниз и hodós — путь, движение), отрицательно заряженный электрод (полюс) источника тока | Катод. БСЭ. URL: http://slovari. ***** |
4. | Окислитель | вещества, молекулы которых принимают электроны в окислительно-восстановительных реакциях | Окислители. Химическая энциклопедия. URL: http://www. *****/encyklopedia/2/3014.html |
5. | Электроды | электронно-проводящие фазы, контактирующие с ионным проводником (электролитом) | Электроды. Химическая энциклопедия. URL: http://www. *****/encyklopedia/2/5297.html |
6. | Электродный потенциал | разность электрических потенциалов между электродом и находящимся с ним в контакте электролитом (чаще всего между металлом и раствором электролита) | Электродный потенциал. БСЭ. URL: http://slovari. ***** |
7. | Электролиты | вещества, в которых в заметной концентрации присутствуют ионы, обусловливающие прохождение электрического тока (ионную проводимость); проводники второго рода; вещества, молекулы которых в растворе вследствие электролитической диссоциации распадаются на ионы | Электролиты. Химическая энциклопедия. URL: http://www. *****/encyklopedia/2/elektrolity. html |
[1] . Гальванические элементы. Статья. Химическая энциклопедия. URL: http://www. *****/encyklopedia/914.html (дата обращения 20.01.2013)
[2] Химические источники тока. URL: http://www. *****/external/onh/Lections/HIT/HIT. htm (дата обращения 20.01.2013)
