Zweck der galvanischen Zelle. Batterie aus galvanischen Zellen

Galvanische Zelle

Diagramm einer galvanischen Daniel-Jacobi-Zelle

Galvanische Zelle- basierend auf der Wechselwirkung zweier Metalle und (oder) ihrer Oxide in einem Elektrolyten, die zur Entstehung von elektrischem Strom in einem geschlossenen Stromkreis führt. Benannt nach Luigi Galvani.

Das Phänomen des Auftretens von elektrischem Strom beim Kontakt verschiedener Metalle wurde 1786 vom italienischen Physiologen und Medizinprofessor an der Universität Bologna, Luigi Galvani, entdeckt. Galvani beschrieb die Kontraktion der Muskeln der Hinterbeine eines frisch sezierten Frosches, der an Kupferhaken befestigt war, wenn er mit einem Stahlskalpell berührt wurde. Die Beobachtungen wurden vom Entdecker als Manifestation „tierischer Elektrizität“ interpretiert.

Elektrochemische Generatoren (Brennstoffzellen)- Dies sind Elemente, in denen die Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie erfolgt. Das Oxidationsmittel und das Reduktionsmittel werden außerhalb der Zelle gespeichert und im Betrieb kontinuierlich und getrennt den Elektroden zugeführt. Beim Betrieb der Brennstoffzelle werden die Elektroden nicht verbraucht. Das Reduktionsmittel ist Wasserstoff (H 2), Methanol (CH 3 OH), Methan (CH 4) in flüssigem oder gasförmigem Zustand. Das Oxidationsmittel ist üblicherweise Luftsauerstoff oder reiner Sauerstoff. In einer Sauerstoff-Wasserstoff-Brennstoffzelle mit alkalischem Elektrolyt wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Kraftwerke werden in Raumfahrzeugen eingesetzt; sie versorgen Raumfahrzeuge und Astronauten mit Energie.

Anwendung

• Batterien Wird in Alarmsystemen, Taschenlampen, Uhren, Taschenrechnern, Audiosystemen, Spielzeug, Radios, Autogeräten und Fernbedienungen verwendet.
• Batterien Sie dienen zum Anlassen von Automotoren und können auch als temporäre Stromquelle an Orten abseits besiedelter Gebiete eingesetzt werden.
• Brennstoffzellen Verwendung bei der Erzeugung elektrischer Energie (in Kraftwerken), Notstromquellen, autonomer Stromversorgung, Transport, Bordnetzversorgung, mobilen Geräten.

siehe auch

Literatur

• Achmetow N.S. Allgemeine und anorganische Chemie
• Aksenovich L. A. Physik in der Sekundarschule: Theorie. Aufgaben.

Links

In der Elektrotechnik werden seit langem verschiedene galvanische Elemente eingesetzt. Wir können sagen, dass sie die Ursprünge der wissenschaftlichen Erforschung eines Phänomens wie Elektrizität waren. Um die Natur des elektrischen Stroms zu verstehen, muss man zunächst verstehen, was ein galvanisches Element ist.

Eigenschaften

Jede galvanische Zelle ist eine chemische Stromquelle. Die Erzeugung elektrischer Energie erfolgt hier durch Redoxreaktionen. Dabei kommt es zu einer direkten Umwandlung chemischer Energie in elektrischen Strom.

Eine standardmäßige galvanische Zelle enthält unterschiedliche Elektroden, von denen eine ein Oxidationsmittel und die andere ein Reduktionsmittel enthält. Bei der Reaktion kommen beide mit dem Elektrolyten in Kontakt. Je nach Gültigkeitsdauer können Elemente wegwerfbar, wiederverwendbar oder kontinuierlich sein. Am weitesten verbreitet ist das gewöhnliche elektrische Gerät, das in vielen modernen Geräten verwendet wird.

Arbeitsprinzip

Das Element besteht aus zwei Metallelektroden, die sich in ihren physikalischen Eigenschaften unterscheiden. In der Regel werden sie in einen Elektrolyten gegeben, bei dem es sich um ein viskoses oder flüssiges Medium handelt. Wenn die Elektroden über einen externen Stromkreis verbunden werden, beginnt eine chemische Reaktion. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Bewegung der Elektronen von einer Elektrode zur anderen, wodurch elektrische Energie entsteht.

Der Minuspol der Zelle besteht aus einer Elektrode, die ihre Elektronen abgibt; ihre Materialien sind Lithium oder Zink. Während der Reaktion übernimmt es die Rolle eines Reduktionsmittels. Dementsprechend ist die andere Elektrode ein Oxidationsmittel und fungiert als positiver Pol. Das Material dafür sind Magnesiumoxide, seltener werden Quecksilber oder Metallsalze verwendet.

Der Elektrolyt selbst, in dem sich die Elektroden befinden, ist eine Substanz, die unter normalen Bedingungen keinen elektrischen Strom übertragen kann. Wenn der Stromkreis geschlossen wird, beginnt die Substanz in Ionen zu zerfallen, was zu elektrischer Leitfähigkeit führt. Die Materialien für Elektrolyte sind meist gelöste oder geschmolzene Säuren sowie Kalium- und Natriumsalze.

Die gesamte Struktur der galvanischen Zelle wird in einem Metallbehälter untergebracht. Die Elektroden bestehen aus Metallnetzen, in die ein Oxidationsmittel und ein Reduktionsmittel gesprüht werden. Mit der Zeit werden elektrochemische Reaktionen schwächer, da die Versorgung mit oxidierenden und reduzierenden Materialien allmählich abnimmt.

Um ein Diagramm einer galvanischen Zelle zu erstellen, ist es notwendig, das Funktionsprinzip und die strukturellen Merkmale zu verstehen.

Verbraucher achten selten auf Batterien und Akkus, obwohl diese die beliebtesten Energiequellen sind.

Chemische Stromquellen

Was ist eine galvanische Zelle? Sein Kreislauf basiert auf einem Elektrolyten. Das Gerät enthält einen kleinen Behälter mit dem Elektrolyten, der vom Separatormaterial adsorbiert wird. Darüber hinaus setzt das Diagramm zweier galvanischer Zellen das Vorhandensein von Wie heißt eine solche galvanische Zelle? Das Schema, das zwei Metalle miteinander verbindet, geht von einer Oxidations-Reduktions-Reaktion aus.

Die einfachste galvanische Zelle

Dabei handelt es sich um zwei Platten oder Stäbe aus unterschiedlichen Metallen, die in eine Lösung aus einem starken Elektrolyten getaucht werden. Beim Betrieb dieser galvanischen Zelle kommt es an der Anode zu einem Oxidationsprozess, der mit der Freisetzung von Elektronen verbunden ist.

An der Kathode erfolgt eine Reduktion, begleitet von der Aufnahme negativer Teilchen. Elektronen werden vom Reduktionsmittel über den externen Kreislauf auf das Oxidationsmittel übertragen.

Beispiel einer galvanischen Zelle

Um elektronische Schaltkreise galvanischer Zellen zu erstellen, ist es notwendig, den Wert ihres Standardelektrodenpotentials zu kennen. Lassen Sie uns eine Variante einer galvanischen Kupfer-Zink-Zelle analysieren, die auf der Grundlage der Energie arbeitet, die bei der Wechselwirkung von Kupfersulfat mit Zink freigesetzt wird.

Diese galvanische Zelle, deren Diagramm weiter unten dargestellt wird, wird Jacobi-Daniel-Element genannt. Es besteht aus einem in eine Kupfersulfatlösung eingetauchten Kupfer (Kupferelektrode) und besteht außerdem aus einer Zinkplatte, die sich in einer Kupfersulfatlösung befindet (Zinkelektrode). Die Lösungen kommen miteinander in Kontakt, aber um eine Vermischung zu verhindern, verwendet das Element eine Trennwand aus porösem Material.

Funktionsprinzip

Wie funktioniert eine galvanische Zelle, deren Schaltkreis Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu ist? Während des Betriebs, wenn der Stromkreis geschlossen ist, findet der Prozess der Oxidation von metallischem Zink statt.

Auf seiner Kontaktoberfläche mit der Salzlösung wird die Umwandlung von Atomen in Zn2+-Kationen beobachtet. Der Prozess geht mit der Freisetzung „freier“ Elektronen einher, die sich entlang des äußeren Stromkreises bewegen.

Die an der Zinkelektrode ablaufende Reaktion lässt sich wie folgt darstellen:

Die Reduktion von Metallkationen erfolgt an einer Kupferelektrode. Negative Partikel, die von der Zinkelektrode hierher gelangen, verbinden sich mit Kupferkationen und scheiden diese in Form von Metall aus. Dieser Vorgang sieht folgendermaßen aus:

Wenn wir die beiden oben diskutierten Reaktionen addieren, erhalten wir eine zusammenfassende Gleichung, die den Betrieb einer galvanischen Zink-Kupfer-Zelle beschreibt.

Die Zinkelektrode dient als Anode und Kupfer als Kathode. Moderne galvanische Zellen und Batterien erfordern die Verwendung einer einzigen Elektrolytlösung, was ihren Anwendungsbereich erweitert und ihre Bedienung komfortabler und bequemer macht.

Arten von galvanischen Zellen

Am häufigsten sind Kohlenstoff-Zink-Elemente. Sie verwenden einen passiven Kohlenstoffstromkollektor in Kontakt mit der Anode, die aus Manganoxid besteht (4). Der Elektrolyt ist Ammoniumchlorid, das in Pastenform verwendet wird.

Es breitet sich nicht aus, weshalb die galvanische Zelle selbst als trocken bezeichnet wird. Sein Merkmal ist die Fähigkeit, sich während des Betriebs zu „erholen“, was sich positiv auf die Dauer ihrer Betriebszeit auswirkt. Solche galvanischen Zellen sind kostengünstig, haben aber eine geringe Leistung. Mit sinkender Temperatur verringern sie ihre Effizienz und mit steigender Temperatur trocknet der Elektrolyt allmählich aus.

Alkalische Zellen erfordern den Einsatz einer Alkalilösung und haben daher viele Einsatzgebiete.

Bei Lithiumzellen fungiert das Aktivmetall als Anode, was sich positiv auf die Lebensdauer auswirkt. Lithium ist negativ, daher haben solche Elemente bei kleinen Abmessungen eine maximale Nennspannung. Zu den Nachteilen solcher Systeme gehört der hohe Preis. Die Öffnung von Lithium-Stromquellen ist brisant.

Abschluss

Das Funktionsprinzip jeder galvanischen Zelle basiert auf Redoxprozessen, die an Kathode und Anode ablaufen. Abhängig vom verwendeten Metall und der gewählten Elektrolytlösung ändert sich die Lebensdauer des Elements sowie der Wert der Nennspannung. Derzeit sind galvanische Lithium- und Cadmiumzellen mit einer relativ langen Lebensdauer gefragt.

Ministerium für Bildung und Wissenschaft der Russischen Föderation

Nationale Forschungskernuniversität „MEPhI“

Institut für Ingenieurwesen und Technologie Balakowo

GALVANISCHE ZELLEN

Richtlinien

im Kurs "Chemie"

alle Formen der Bildung

Balakowo 2014

Zweck der Arbeit: Untersuchung des Funktionsprinzips galvanischer Zellen.

GRUNDLEGENDES KONZEPT

ELEKTROCHEMISCHE PROZESSE AN DER PHASENGRENZE

Atomionen befinden sich an den Stellen von Metallkristallgittern. Wenn ein Metall in eine Lösung eingetaucht wird, beginnt eine komplexe Wechselwirkung von Oberflächenmetallionen mit polaren Lösungsmittelmolekülen. Dadurch wird das Metall oxidiert und seine hydratisierten (solvatisierten) Ionen gehen in Lösung und hinterlassen Elektronen im Metall:

Me + mH 2 O Me(H 2 O) + ne -

Das Metall ist negativ geladen und die Lösung ist positiv geladen. Zwischen den Verwandelten entsteht elektrostatische Anziehung Flüssigkeit durch hydratisierte Kationen und die Metalloberfläche und an der Grenzfläche Metall-Lösung bildet sich eine doppelte elektrische Schicht, die durch eine bestimmte Potentialdifferenz gekennzeichnet ist - Elektrodenpotential.

Reis. 1 Elektrische Doppelschicht an der Metall-Lösungs-Grenzfläche

Zusammen mit dieser Reaktion findet eine Rückreaktion statt – die Reduktion von Metallionen zu Atomen.

Ich(H2O) + ne
Me + m H 2 O -

Bei einem bestimmten Wert des Elektrodenpotentials stellt sich ein Gleichgewicht ein:

Me + mH 2 O
Ich(H2O) + ne -

Der Einfachheit halber wird Wasser nicht in die Reaktionsgleichung einbezogen:

Meh
Ich 2+ +ne -

Das unter Gleichgewichtsbedingungen der Elektrodenreaktion entstehende Potential wird als Gbezeichnet.

GALVANISCHE ZELLEN

Galvanische Zellen– chemische Quellen elektrischer Energie. Dabei handelt es sich um Systeme, die aus zwei Elektroden (Leiter erster Art) bestehen, die in Elektrolytlösungen (Leiter zweiter Art) eingetaucht sind.

Elektrische Energie wird in galvanischen Zellen durch den Redoxprozess gewonnen, sofern an einer Elektrode die Oxidationsreaktion und an der anderen die Reduktionsreaktion getrennt durchgeführt wird. Wenn beispielsweise Zink in eine Kupfersulfatlösung getaucht wird, wird das Zink oxidiert und das Kupfer reduziert

Zn + CuSO 4 = Cu + ZnSO 4

Zn 0 +Cu 2+ =Cu 0 +Zn 2+

Es ist möglich, diese Reaktion so durchzuführen, dass die Oxidations- und Reduktionsprozesse räumlich getrennt sind; dann erfolgt der Übergang der Elektronen vom Reduktionsmittel zum Oxidationsmittel nicht direkt, sondern über einen Stromkreis. In Abb. Abbildung 2 zeigt das Diagramm einer galvanischen Daniel-Jacobi-Zelle; die Elektroden sind in Salzlösungen eingetaucht und befinden sich mit den Lösungen im elektrischen Gleichgewicht. Zink sendet als aktiveres Metall mehr Ionen in die Lösung als Kupfer, wodurch die Zinkelektrode aufgrund der darauf verbleibenden Elektronen negativer geladen wird als die Kupferelektrode. Die Lösungen sind durch eine Trennwand getrennt, die nur für Ionen im elektrischen Feld durchlässig ist. Wenn die Elektroden mit einem Leiter (Kupferdraht) miteinander verbunden sind, fließen Elektronen von der Zinkelektrode, wo mehr davon vorhanden sind, durch den externen Stromkreis zum Kupferstromkreis. Es entsteht ein kontinuierlicher Elektronenfluss – ein elektrischer Strom. Durch den Elektronenverlust der Zinkelektrode beginnt Zn in Form von Ionen in Lösung zu gehen, wodurch der Elektronenverlust ausgeglichen wird und so versucht wird, das Gleichgewicht wiederherzustellen.

Die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet, wird Anode genannt. Die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet, wird Kathode genannt.

Anode (-) Kathode (+)

Reis. 2. Diagramm einer galvanischen Zelle

Beim Betrieb eines Kupfer-Zink-Elements laufen folgende Prozesse ab:

1) anodisch – Zinkoxidationsprozess Zn 0 – 2e→Zn 2+;

2) kathodisch – der Prozess der Reduktion von Kupferionen Cu 2+ + 2e→Cu 0 ;

3) Bewegung von Elektronen entlang des externen Stromkreises;

4) Bewegung von Ionen in Lösung.

Im linken Glas fehlt es an SO 4 2-Anionen, im rechten Glas ist ein Überschuss vorhanden. Daher wird im internen Kreislauf einer funktionierenden galvanischen Zelle die Bewegung von SO 4 2-Ionen vom rechten Glas nach links durch die Membran beobachtet.

Wenn wir die Elektrodenreaktionen zusammenfassen, erhalten wir:

Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+

An den Elektroden finden Reaktionen statt:

Zn+SO 4 2- →Zn 2+ +SO 4 2- + 2e(Anode)

Cu 2+ + 2e + SO 4 2- → Cu + SO 4 2- (Kathode)

Zn + CuSO 4 → Cu + ZnSO 4 (Gesamtreaktion)

Galvanisches Zellendiagramm: (-) Zn/ZnSO 4 | |CuSO 4 /Cu(+)

oder in ionischer Form: (-) Zn/Zn 2+ | |Cu 2+ /Cu(+), wobei eine vertikale Linie die Grenzfläche zwischen dem Metall und der Lösung und zwei Linien die Grenzfläche zwischen zwei flüssigen Phasen bezeichnen – eine poröse Trennwand (oder ein mit einer Elektrolytlösung gefülltes Verbindungsrohr).

Maximale elektrische Arbeit (W) bei der Umwandlung eines Mols eines Stoffes:

W=nF E, (1)

wobei ∆E die EMK der galvanischen Zelle ist;

F - Faraday-Zahl gleich 96500 C;

n ist die Ladung des Metallions.

Die elektromotorische Kraft einer galvanischen Zelle kann als Potentialdifferenz zwischen den Elektroden berechnet werden, aus denen die galvanische Zelle besteht:

EMF = E-Oxid. – E wiederherstellen = E k – E a,

wobei EMF die elektromotorische Kraft ist;

E-Oxid. – Elektrodenpotential des weniger aktiven Metalls;

E wiederherstellen – Elektrodenpotential des aktiveren Metalls.

STANDARDELEKTRODENPOTENZIALE VON METALLEN

Es ist unmöglich, die absoluten Werte der Elektrodenpotentiale von Metallen direkt zu bestimmen, aber die Differenz der Elektrodenpotentiale kann bestimmt werden. Ermitteln Sie dazu die Potentialdifferenz zwischen der zu messenden Elektrode und der Elektrode, deren Potential bekannt ist. Am häufigsten wird eine Wasserstoffelektrode als Referenzelektrode verwendet. Dazu wird die EMF einer galvanischen Zelle bestehend aus Test- und Standard-Wasserstoffelektrode gemessen, deren Elektrodenpotential gleich Null angenommen wird. Die Schaltungen galvanischer Zellen zur Messung des Metallpotentials sind wie folgt:

H 2, Pt|H + || Ich n + |Ich

Da das Potential der Wasserstoffelektrode bedingt gleich Null ist, ist die EMK des gemessenen Elements gleich dem Elektrodenpotential des Metalls.

Standardelektrodenpotential des Metalls nennt man sein Elektrodenpotential, das entsteht, wenn ein Metall in eine Lösung seines eigenen Ions mit einer Konzentration (oder Aktivität) von 1 mol/l unter Standardbedingungen eingetaucht wird, gemessen im Vergleich mit einer Standard-Wasserstoffelektrode, dem Potential von die bei 25 0 C üblicherweise als Null angenommen wird. Indem wir Metalle mit zunehmendem Standardelektrodenpotential (E°) in einer Reihe anordnen, erhalten wir die sogenannte Spannungsreihe.

Je negativer das Potential des Me/Me n+-Systems ist, desto aktiver ist das Metall.

Das Elektrodenpotential eines Metalls, das bei Raumtemperatur in eine Lösung seines eigenen Salzes eingetaucht ist, hängt von der Konzentration der gleichnamigen Ionen ab und wird durch die Nernst-Formel bestimmt:

, (2)

wo E 0 – normales (Standard-)Potenzial, V;

R – universelle Gaskonstante gleich 8,31 J (Mol. K);

F – Faraday-Zahl;

T – absolute Temperatur, K;

C ist die Konzentration der Metallionen in Lösung, mol/l.

Durch Ersetzen der Werte von R, F, der Standardtemperatur T = 298 0 K und des Umrechnungsfaktors vom natürlichen Logarithmus (2,303) in die Dezimalzahl erhalten wir eine praktisch zu verwendende Formel:

(3)

KONZENTRATIONSGALVANISCHE ZELLEN

Galvanische Zellen können aus zwei Elektroden genau der gleichen Art bestehen, die in Lösungen desselben Elektrolyten, jedoch unterschiedlicher Konzentration, eingetaucht sind. Solche Elemente nennt man Konzentrationselemente, zum Beispiel:

(-)Ag | AgNO 3 || AgNO 3 | Ag(+)

In Konzentrationsschaltungen für beide Elektroden sind die Werte von n und E 0 gleich, daher können Sie sie zur Berechnung der EMF eines solchen Elements verwenden

, (4)

wobei C 1 die Elektrolytkonzentration in einer verdünnteren Lösung ist;

C 2 – Elektrolytkonzentration in einer konzentrierteren Lösung

POLARISATION VON ELEKTRODEN

Glkönnen bestimmt werden, wenn im Stromkreis kein Strom vorhanden ist. Polarisation- Änderung des Elektrodenpotentials, wenn ein elektrischer Strom fließt.

E = E i - E p , (5)

wobei E die Polarisation ist;

E i ist das Potential der Elektrode beim Durchgang von elektrischem Strom;

E p - Gleichgewichtspotential. Die Polarisation kann kathodisch E K (an der Kathode) und anodisch E A (an der Anode) sein.

Die Polarisation kann sein: 1) elektrochemisch; 2) chemisch.

ANFORDERUNGEN AN DIE ARBEITSSICHERHEIT

1. Experimente mit unangenehm riechenden und giftigen Stoffen müssen unter einem Abzug durchgeführt werden.

2. Wenn Sie das austretende Gas am Geruch erkennen, sollten Sie den Strahl mit Handbewegungen vom Gefäß auf sich selbst richten.

3. Bei der Durchführung des Experiments müssen Sie darauf achten, dass die Reagenzien nicht auf Ihr Gesicht, Ihre Kleidung oder eine neben Ihnen stehende Person gelangen.

4. Halten Sie beim Erhitzen von Flüssigkeiten, insbesondere Säuren und Laugen, das Reagenzglas mit der Öffnung von Ihnen weg.

5. Beim Verdünnen von Schwefelsäure sollten Sie der Säure kein Wasser hinzufügen, sondern die Säure vorsichtig in kleinen Portionen in kaltes Wasser gießen und die Lösung umrühren.

6. Nach Beendigung der Arbeit gründlich die Hände waschen.

7. Es wird empfohlen, verbrauchte Lösungen von Säuren und Laugen in speziell vorbereitete Behälter zu füllen.

8. Alle Flaschen mit Reagenzien müssen mit geeigneten Stopfen verschlossen werden.

9. Nach der Arbeit verbleibende Reagenzien sollten nicht ausgeschüttet oder in Reagenzflaschen umgefüllt werden (um eine Kontamination zu vermeiden).

Arbeitsauftrag

Übung 1

FORSCHUNG VON METALLAKTIVITÄTEN

Instrumente und Reagenzien: Zink, granuliert; Kupfersulfat CuSO 4, 0,1 N Lösung; Reagenzgläser

Tauchen Sie ein Stück granuliertes Zink in eine 0,1 N Kupfersulfatlösung. Lassen Sie es ruhig auf dem Stativ stehen und beobachten Sie, was passiert. Schreiben Sie eine Gleichung für die Reaktion. Überlegen Sie, welches Metall als Anode und welches als Kathode für das nächste Experiment verwendet werden kann.

Aufgabe 2

GALVANISCHE ZELLE

Instrumente und Reagenzien: Zn, Cu – Metalle; Zinksulfat, ZnSO 4, 1 M Lösung; Kupfersulfat CuSO 4, 1 M Lösung; Kaliumchlorid KCl, konzentrierte Lösung; Galvanometer; Gläser; U-förmiger Schlauch, Watte.

Gießen Sie bis zu ¾ des Volumens einer 1 M Metallsalzlösung, die als Anode dient, in ein Glas und das gleiche Volumen einer 1 M Metallsalzlösung, die als Kathode dient, in das andere Glas. Füllen Sie das U-förmige Rohr mit konzentrierter KCl-Lösung. Decken Sie die Enden des Röhrchens mit dicken Wattestücken ab und senken Sie sie in beide Gläser, sodass sie in die vorbereiteten Lösungen eintauchen. Legen Sie eine Metallanodenplatte in ein Glas und eine Metallkathodenplatte in ein anderes. Montieren Sie eine galvanische Zelle mit einem Galvanometer. Schließen Sie den Stromkreis und markieren Sie die Stromrichtung mit einem Galvanometer.

Zeichnen Sie ein Diagramm einer galvanischen Zelle.

Schreiben Sie elektronische Gleichungen für die Reaktionen, die an der Anode und Kathode dieser galvanischen Zelle ablaufen. Berechnen Sie die EMF.

Aufgabe 3

BESTIMMUNG EINER ANODE AUS EINEM BESTIMMTEN PLATTENSATZ

Instrumente und Reagenzien: Zn, Cu, Fe, Al – Metalle; Zinksulfat, ZnSO 4, 1 M Lösung; Kupfersulfat CuSO 4, 1 M Lösung; Aluminiumsulfat Al 2 (SO 4) 3 1 M Lösung; EisensulfatFeSO 4, 1 M Lösung; Kaliumchlorid KCl, konzentrierte Lösung; Gläser; U-förmiger Schlauch, Watte.

Bilden Sie galvanische Paare:

Zn/ZnSO 4 ||FeSO 4 /Fe

Zn/ZnSO 4 || CuSO4/Cu

Al/Al 2 (SO 4) 3 || ZnSO4/Zn

Bauen Sie aus dem angegebenen Satz Platten und Lösungen von Salzen dieser Metalle eine galvanische Zelle zusammen, in der Zink die Kathode wäre (Aufgabe 2).

Schreiben Sie elektronische Gleichungen für die Reaktionen, die an der Anode und Kathode der zusammengebauten galvanischen Zelle ablaufen.

Schreiben Sie die Redoxreaktion, die dem Betrieb dieser galvanischen Zelle zugrunde liegt. Berechnen Sie die EMF.

FORMULIERUNG DES BERICHTS

Das Laborjournal wird während des Laborunterrichts nach Abschluss der Arbeiten ausgefüllt und enthält:

Datum der Fertigstellung der Arbeiten;

Name der Laborarbeit und deren Nummer;

der Name des Experiments und der Zweck seiner Durchführung;

Beobachtungen, Reaktionsgleichungen, Gerätediagramm;

Testfragen und Aufgaben zum Thema.

STEUERAUFGABEN

1.Welche der folgenden Reaktionen sind möglich? Schreiben Sie Reaktionsgleichungen in molekularer Form und erstellen Sie elektronische Gleichungen dafür:

Zn(NO 3) 2 + Cu →

Zn(NO 3) 2 + Mg →

2. Erstellen Sie Diagramme galvanischer Zellen, um die normalen Elektrodenpotentiale von Al/Al 3+ , Cu/Cu 2+ gepaart mit einer normalen Wasserstoffelektrode zu bestimmen.

3. Berechnen Sie die EMK der galvanischen Zelle

Zn/ZnSO 4 (1M)| |CuSO 4 (2M)

Welche chemischen Prozesse laufen beim Betrieb dieses Elements ab?

4. Chemisch reines Zink reagiert fast nicht mit Salzsäure. Bei der Zugabe von Bleinitrat zu Säure kommt es zu einer teilweisen Wasserstoffentwicklung. Erklären Sie diese Phänomene. Schreiben Sie Gleichungen für die auftretenden Reaktionen auf.

5. Kupfer kommt mit Nickel in Kontakt und wird in eine verdünnte Schwefelsäurelösung getaucht. Welcher Prozess läuft an der Anode ab?

6. Erstellen Sie ein Diagramm einer galvanischen Zelle, das auf einer Reaktion basiert, die gemäß der Gleichung abläuft: Ni+Pb(NO 3) 2 =Ni(NO 3) 2 +Pb

7. Eine Manganelektrode in einer Lösung ihres Salzes hat ein Potential von 1,2313 V. Berechnen Sie die Konzentration von Mn 2+ -Ionen in mol/l.

Zeit für Laborarbeiten

Literatur

Hauptsächlich

1. Glinka. AUF DER. Allgemeine Chemie: Lehrbuch. Handbuch für Universitäten. – M.: Integral – Press, 2005. – 728 S.

2. Korzhukov N. G. Allgemeine und anorganische Chemie. – M.: MISIS;

INFRA-M, 2004. – 512 S.

Zusätzlich

3. Frolov V.V. Chemie: Lehrbuch. Zuschuss für Hochschulen. – M.: Höher. Schule, 2002. –

4. Korovin N.V.. Allgemeine Chemie: ein Lehrbuch für Ingenieurwissenschaften. Richtung und besonders Universitäten – M.: Höher. Schule, 2002.–559 S.: Abb..

4. Achmatow N.S. Allgemeine und anorganische Chemie: ein Lehrbuch für Universitäten. - 4. Aufl., korrigiert - M.: Höher. Schule, 2002. –743 S.

5. Glinka N.A. Allgemeine Aufgaben und Übungen zur Chemie. – M.: Integral –Press, 2001. – 240 S.

6. Metelsky A. V. Chemie in Fragen und Antworten: ein Nachschlagewerk. – Mn.: Bel.En., 2003. – 544 S.

galvanische Zellen

Richtlinien

Laborarbeiten durchzuführen

im Kurs "Chemie"

für Studierende technischer Fachrichtungen und Fachrichtungen,

„Allgemeine und anorganische Chemie“

für Studierende der Studienrichtung „Chemische Technologie“

alle Formen der Bildung

Zusammengestellt von: Sinitsyna Irina Nikolaevna

Timoshina Nina Michailowna

Eine galvanische Zelle ist eine chemische Stromquelle, die auf der Wechselwirkung zweier Metalle und/oder ihrer Oxide in einem Elektrolyten basiert und nach dem italienischen Wissenschaftler Luigi Galvani benannt ist.

Später baute der Wissenschaftler eine Batterie aus Kupfer-Zink-Zellen zusammen, die später Voltaische Säule genannt wurde (siehe Abbildung). Es bestand aus mehreren Dutzend Zink- und Kupferkreisen, die paarweise gefaltet und durch in Säure getränkte Tücher getrennt waren. Diese Erfindung wurde später von anderen Wissenschaftlern in ihrer Forschung genutzt. Beispielsweise entwarf der russische Akademiker V. V. Petrov im Jahr 1802 eine riesige Batterie mit 2100 Zellen, die eine Spannung von etwa 2500 Volt erzeugte und zur Erzeugung eines starken Lichtbogens verwendet wurde, der eine solche Spannung erzeugte hohe Temperatur das könnte Metalle schmelzen.

Es gibt galvanische Elemente anderer Bauart. Betrachten wir eine andere galvanische Kupfer-Zink-Zelle, die jedoch die Energie einer chemischen Reaktion zwischen Zink und einer Kupfersulfatlösung nutzt (Jacobi-Daniel-Zelle). Dieses Element besteht aus einer Kupferplatte, die in eine Kupfersulfatlösung getaucht ist, und einer Zinkplatte, die in eine Zinksulfatlösung getaucht ist (siehe Abbildung). Beide Lösungen stehen miteinander in Kontakt, sind aber zur Verhinderung einer Vermischung durch eine Membrantrennwand aus porösem Material getrennt.

Eine andere Art von galvanischen Zellen sind die sogenannten „trockenen“ Mangan-Zink-Leclanche-Zellen (siehe Abbildung). Anstelle eines flüssigen Elektrolyten verwendet eine solche Zelle eine gelartige Paste aus Ammoniak und Stärke. Damit die Feuchtigkeit möglichst wenig verdunstet, ist die Oberseite eines solchen Elements mit Wachs oder Harz gefüllt und mit einem kleinen Loch versehen, durch das Gase entweichen können. Typischerweise werden Leclanche-Elemente in zylindrischen Bechern hergestellt, die gleichzeitig als negative Elektrode und Gefäß dienen.
Alle chemischen Stromquellen (galvanische Zellen und daraus hergestellte Batterien) werden in zwei Gruppen eingeteilt – primäre (Einweg) und sekundäre (wiederverwendbar oder reversibel). In Primärstromquellen (im Volksmund Batterien) laufen chemische Prozesse irreversibel ab, sodass ihre Ladung nicht wiederhergestellt werden kann. Zu den sekundären chemischen Stromquellen gehören Batterien, deren Ladung wiederhergestellt werden kann. Bei weit verbreiteten Batterien kann der Lade-Entlade-Zyklus etwa 1000 Mal wiederholt werden.

Batterien haben unterschiedliche Spannungen und Kapazitäten. Beispielsweise haben herkömmliche Alkalibatterien eine Nennspannung von etwa 1,5 V und modernere Lithiumbatterien eine Nennspannung von etwa 3 V. Die elektrische Kapazität hängt von vielen Faktoren ab: der Anzahl der Zellen in der Batterie, dem Ladezustand, der Umgebungstemperatur, Abschaltstrom (bei dem das Gerät trotz vorhandener Ladung nicht funktioniert). Beispielsweise funktioniert ein Akku, der in einer Kamera nicht mehr funktioniert, in einer Uhr oder Fernbedienung oft weiter.
Die Strommenge (Ladung) in Batterien wird in Amperestunden gemessen. Wenn die Batterieladung beispielsweise 1 Amperestunde beträgt und das von ihr betriebene elektrische Gerät einen Strom von 200 mA benötigt, berechnet sich die Batterielebensdauer wie folgt: 1 Ah / 0,2 A = 5 Stunden.
Der technologische Fortschritt hat die Vielfalt batteriebetriebener Miniaturgeräte vergrößert. Viele von ihnen erforderten leistungsstärkere Batterien und waren gleichzeitig recht kompakt. Lithiumbatterien sind die Antwort auf dieses Bedürfnis: lange Haltbarkeit, hohe Zuverlässigkeit und hervorragende Leistung über einen weiten Temperaturbereich. Am weitesten fortgeschritten sind heute Lithium-Ionen-Stromquellen. Das Potenzial dieser Technologie ist noch nicht vollständig erschlossen, aber die unmittelbaren Perspektiven sind damit verbunden.

Von besonderem technischen Wert sind Nickel-Cadmium-Batterien, die bereits 1899 vom schwedischen Wissenschaftler W. Jungner erfunden wurden. Doch erst Mitte des 20. Jahrhunderts gelangten Ingenieure zu einem nahezu modernen Design für solche versiegelten Batterien. Aufgrund ihrer Kompaktheit und Autonomie werden wiederaufladbare Batterien in Autos, Zügen, Computern, Telefonen, Kameras, Videokameras, Taschenrechnern usw. verwendet.
Die Hauptmerkmale der Batterie sind Kapazität und maximaler Strom. Die Batteriekapazität in Amperestunden entspricht dem Produkt aus maximalem Strom und Entladedauer. Wenn eine Batterie beispielsweise 10 Stunden lang einen Strom von 80 mA erzeugen kann, beträgt die Kapazität: 80 mA · 10 h = 800 mAh (oder in internationalen Bezeichnungen 800 mAh, siehe Abbildung).

Kuznetsova Alla Viktorovna (Samara)