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.

Схема гальванічнага элемента Даніэля-Якобі

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, 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

• Паліўныя элементы
• Электрахіміі
• Электрычны акумулятар
• Хімічная крыніца току

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
• Большая советская энциклопедия : ([в 30 т.]) / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд.. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978. (руск.)
• http://www.xumuk.ru/encyklopedia/914.html