Гальванічны элемент

Гальванічны элемент — хімічная крыніца электрычнага току, заснаваная на ўзаемадзеянні двух металаў і/або іх аксідаў ў электраліце, які прыводзіць да ўзнікнення ў замкнёным ланцугу электрычнага току. Названы ў гонар Луіджы Гальвані. Пераход хімічнай энергіі ў электрычную энергію адбываецца ў гальванічных элементах.

Гісторыя вывучэння гальванічных працэсаў

Луіджы Гальвані

З'ява ўзнікнення электрычнага току пры кантакце розных металаў была адкрыта італьянскім физіёлагам, прафесарам медыцыны Балонскага ўніверсітэта (г. Балоння, Італія) — Луіджы Гальвані ў 1786 годзе: Гальвані апісаў працэс скарачэння мускулаў задніх лапак свежепрэпараванай жабы, замацаваных на медных гручках, пры дакрананні сталёвага скальпеля. Назіранні былі вытлумачаны першаадкрывальнікам як праява «жывёльнай электрычнасці».

Італьянскі фізік і хімік Алесандра Вольта, зацікавіўшыся досведамі Гальвані, убачыў зусім новую з'яву — стварэнне патоку электрычных зарадаў. Правяраючы пункт гледжання Гальвані, А. Вольта зрабіў серыю досведаў і прыйшоў да высновы, што прычынай скарачэння цягліц служыць не «жывёльная электрычнасць», а наяўнасць ланцугу з розных праваднікоў у вадкасці. У пацверджанне — А. Вольта замяніў лапку жабы вынайдзеным ім электраметрам і паўтарыў усе дзеянні. У 1800 годзе А. Вольта ўпершыню публічна заяўляе аб сваіх адкрыццях на пасяджэнні Лонданскага каралеўскага грамадства, што праваднік другога класа (вадкі) знаходзіцца ў сярэдзіне і датыкаецца з двума праваднікамі першага класа з двух розных металаў, і з прычыны гэтага ўзнікае электрычны ток таго ці іншага напрамку.

Рускі навуковец Пятроў у 1802 годзе выкарыстаў гальванічны элемент для пабудовы электрычнай дугі.

У 1938 годзе, працуючы ў Худжут Рабу, недалёка ад Багдада на тэрыторыі сучаснага Ірака, нямецкі археолаг Вільгельм Кёніг раскапаў (па іншай версіі знайшоў у падвале музея) гліняны збан даўжынёй пяць 13 см, у якім знаходзіўся медны цыліндр, усярэдзіне якога знаходзіўся жалезны стрыжань. На судне былі выяўленыя прыкметы карозіі, а першыя выпрабаванні паказалі, што ў ім прысутнічаў кіслотны агент, такі як воцат або віно. Выпрабаванні праведзенныя на копіі гэтага збана паказалі, што збан мог выкарыстоўвацца як прасцейшы гальванічны элемент^[1], хаця спрэчкі пра яго назначэнне няскончыліся (так як і спрэчкі пра тое, разумелі лі старажытныя жыхары цяперашняга Іраку на якіх фізічных прынцыпах яна працуе). Знаходку датавалі прыкладна 200 г. да н. э., і яна стала вядома пад назвай Багдадская батарэйка.

Віды электродаў

У склад гальванічнага элемента ўваходзяць электроды. Электроды бываюць:

Зварачальныя электроды

Электроды 1-га роду — электроды, якія складаюцца з металу, пагружанага ў раствор яго солі;
Электроды 2-га роду — электрод, які складаецца з металу, пакрытага цяжкарастварымай соллю гэтага ж металу, пагружаны ў раствор солі, які змяшчае агульны аніён з нерастваральнай соллю (хлорсярэбряны электрод, каламельны электрод, метал-аксідныя электроды);
Электроды 3-га роду — электроды, якія складаюцца з двух нерастваральных ападкаў электралітаў: у менш растваральным ёсць катыён, які ўтворыцца з металу электрода, а ў больш растваральным — ёсць агульны аніёны з першым асадкам;
Газавыя электроды — электроды, якія складаюцца з неактыўнага металу ў растворы і газу (кіслародны электрод, вадародны электрод);
Амальгамныя электроды — электроды, якія складаюцца з раствора металу ў ртуці;
Акісляльна-аднаўленчыя электроды — электроды, якія складаюцца з неактыўнага металу (фэры-фэра-электрод, хінгідронны электрод).

Іёнаселектыўныя мембранныя электроды

Электроды з іёнаабменнай мембранай з фіксаванымі зарадамі — шкляны электрод;
Электроды, якія складаюцца з вадкіх асацыіраваных іанітаў;
Электроды з мембранай на аснове мембранаактыўных камплексонаў;
Электроды з мона - і полікрышталічнымі мембранамі.

Характарыстыкі гальванічных элементаў

Гальванічныя элементы характарызуюцца электрарухаючай сілай (ЭРС), ёмістасцю; энергіяй, якую ён можа аддаць ва знешнюю ланцуг; сохраняемостью.

Электрарухаючая сіла (ЭРС) гальванічнага элемента залежыць ад матэрыялу электродаў і складу электраліта. ЭРС апісваецца тэрмодынамічнымі функцыямі праходзячых электрахімічных працэсаў у выглядзе ўраўнання Нернста.
Электрычная ёмістасць элемента — гэта колькасць электрычнасці, якую крыніца току аддае пры разрадзе. Ёмістасць залежыць ад масы рэагентаў, назапашанай ў крыніцы, і ступені іх ператварэння; зніжаецца з паніжэннем тэмпературы або павелічэннем разраднага току.
Энергія гальванічнага элемента колькасна роўная твору яго ёмістасці на напружанне. З павялічэннем колькасці рэчыва рэагентаў ў элеменце і да пэўнай мяжы, З павелічэннем тэмпературы, энергія ўзрастае. Энергію памяншае павелічэнне разраднага току.
Захоўваймасць — гэта тэрмін захоўвання элемента, на працягу якога яго характарыстыкі застаюцца ў зададзеных межах. Захоўваймасць элемента памяншаецца з ростам тэмпературы захоўвання.

Класіфікацыя гальванічных элементаў

Выкарыстаныя крыніцы сілкавання розных тыпаў і памераў

Гальванічныя першасныя элементы — гэта прылады для прамога пераўтварэння хімічнай энергіі, зняволеных у іх рэагентаў (акісляльніка і аднаўляльніка), у электрычную. Рэагенты, якія ўваходзяць у склад крыніцы, выдаткоўваюцца ў працэсе яго працы, і дзеянне спыняецца пасля расходу рэагентаў. Прыкладам гальванічнага элемента з'яўляецца элемент Даніэля—Якобі.

Шырокае распаўсюджванне атрымалі марганцэво-цынкавыя элементы, якія не змяшчаюць раствора электраліта (сухія элементы, батарэйкі). Так, у солевых элементы Лекланшэ: цынкавы электрод служыць катодам, электрод з сумесі дыяксіду марганца з графітам служыць анодам, графіт служыць токоотводом. Электралітам з'яўляецца паста з раствора хларыду амонія з дадаткам мукі або крухмалу ў якасці загушчальнікі.

Шчолачныя марганцево-цынкавыя элементы, у якіх у якасці электраліта выкарыстоўваецца паста на аснове гідраксіду калія, валодаюць цэлым шэрагам пераваг (у прыватнасці, істотна большай ёмістасцю, лепшай працай пры нізкіх тэмпературах і пры вялікіх токах нагрузкі).

Солевыя і шчолачныя элементы шырока прымяняюцца для сілкавання радыёапаратуры і розных электронных прылад.

Літый-іённы акумулятар сотавага тэлефона

Другасныя крыніцы току (акумулятары) — гэта прылады, у якіх электрычная энергія вонкавай крыніцы току ператвараецца ў хімічную энергію і назапашваецца, а хімічная — зноў ператвараецца ў электрычную.

Адным з найбольш распаўсюджаных акумулятараў з'яўляецца свінцовы (або кіслотны). Электралітам з'яўляецца 25-30 % раствор сернай кіслаты. Электродамі кіслотнага акумулятара з'яўляюцца свінцовыя рашоткі, запоўненыя аксідам свінцу, які пры ўзаемадзеянні з электралітам ператвараецца ў сульфат свінцу (II) — PbSO₄.

Таксама існуюць шчолачныя акумулятары: найбольшая прымяненне атрымалі нікель-кадміевыя і нікель-металгідрыдных батарэі, у якіх электралітам служыць гідраксід калія (K-OH).

У розных электронных прыладах (мабільныя тэлефоны, планшэты, ноўтбукі), у асноўным, прымяняюцца літый-іённыя і літый-палімерныя акумулятары, якія характарызуюцца высокай ёмістасцю і адсутнасцю эфекту памяці.

Электрахімічнай генератары (паліўныя элементы) — гэта элементы, у якіх адбываецца ператварэнне хімічнай энергіі ў электрычную. Акісляльнік і аднаўляльнік захоўваюцца па-за элемента, у працэсе працы бесперапынна і асобна падаюцца да электродаў. У працэсе працы паліўнага элемента, электроды не выдаткоўваюцца. Аднаўляльнікам з'яўляецца вадарод (H₂), метанол (CH₃OH), метан (CH₄); у вадкім або газападобным стане. Акісляльнікам звычайна з'яўляецца кісларод — з паветра або чысты. У кіслароднае-вадародным паліўным элеменце са шчолачным электралітам, адбываецца ператварэнне хімічнай энергіі ў электрычную. Энергаўстаноўкі прымяняюцца на касмічных караблях: яны забяспечваюць энергіяй касмічны карабель і касманаўтаў.

Прымяненне

Батарэйкі выкарыстоўваюцца ў сістэме сігналізацыі, ліхтарах, гадзінніках, калькулятарах, аудыясістамах, цацках, радыё, аўтаабсталяванні, пультах дыстанцыйнага кіравання.
Акумулятары выкарыстоўваюцца для запуску рухавікоў машын; магчыма, гэтак жа і прымяненне ў якасці часовых крыніц электраэнергіі ў месцах, аддаленых ад населеных пунктаў.
Паліўныя элементы прымяняюцца ў вытворчасці электрычнай энергіі (на электрычных станцыях), аварыйных крыніцах энергіі, аўтаномным электразабеспячэнні, транспарце, бартавым сілкаванні, мабільных прыладах.

Гл. таксама

Зноскі

↑ Riddle of 'Baghdad's batteries' (англ.) (нявызн.) ? (27 лютага 2003). Праверана 6 лютага 2024.

Літаратура

Гальвани́ческие элеме́нты // Т. 6. Газлифт — Гоголево. — М. : Советская энциклопедия, 1971. — С. 77. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров; 1969—1978). (руск.)

Спасылкі

Гальванические элементы и батареи // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.) (руск.). — СПб., 1890—1907.
http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/268
http://www.xumuk.ru/encyklopedia/914.html

[1] Riddle of 'Baghdad's batteries' (англ.) (нявызн.) ? (27 лютага 2003). Праверана 6 лютага 2024.

[1]