Arten von galvanischen Zellen. Batterie aus galvanischen Zellen. Lithiumgalvanische Zellen haben im Vergleich zu anderen Elementen eine längere Lebensdauer. Der Anwendungsbereich ist sehr groß

Galvanische Zellen gehören heute zu den am weitesten verbreiteten chemischen Zellen. Trotz ihrer Mängel werden sie in der Elektrotechnik aktiv eingesetzt und ständig verbessert.

Funktionsprinzip

Das einfachste Beispiel für die Funktionsweise einer galvanischen Zelle sieht so aus. Zwei Platten werden in ein Glasgefäß mit einer wässrigen Schwefelsäurelösung getaucht: eine aus Kupfer, die andere aus Zink. Sie werden zum positiven und negativen Pol des Elements. Wenn diese Pole mit einem Leiter verbunden werden, ergibt sich die einfachste Sache: Im Inneren des Elements fließt der Strom von der negativ geladenen Zinkplatte zur positiv geladenen Kupferplatte. Im externen Stromkreis erfolgt die Bewegung geladener Teilchen in die entgegengesetzte Richtung.

Unter dem Einfluss von Strom bewegen sich Wasserstoffionen und der saure Rest der Schwefelsäure in unterschiedliche Richtungen. Der Wasserstoff gibt seine Ladung an die Kupferplatte ab und der Säurerest gibt seine Ladung an die Zinkplatte ab. Dadurch wird die Spannung an den Elementanschlüssen aufrechterhalten. Gleichzeitig bilden sich Wasserstoffblasen auf der Oberfläche der Kupferplatte, die die Wirkung der galvanischen Zelle schwächen. Wasserstoff erzeugt zusammen mit dem Metall der Platte eine zusätzliche Spannung, die als elektromotorische Polarisationskraft bezeichnet wird. Die Ladungsrichtung dieser EMK ist entgegengesetzt zur Ladungsrichtung der EMK der galvanischen Zelle. Die Blasen selbst erzeugen im Element zusätzlichen Widerstand.

Das von uns betrachtete Element ist ein klassisches Beispiel. In der Realität werden solche galvanischen Elemente aufgrund der hohen Polarisation einfach nicht verwendet. Um dies zu verhindern, wird bei der Herstellung von Elementen eine spezielle Substanz in ihre Zusammensetzung eingebracht, die Wasserstoffatome absorbiert, einen sogenannten Depolarisator. In der Regel handelt es sich dabei um sauerstoff- oder chlorhaltige Zubereitungen.

Vor- und Nachteile moderner galvanischer Zellen

Moderne galvanische Zellen werden aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Der gebräuchlichste und bekannteste Typ sind die in AA-Batterien verwendeten Kohlenstoff-Zink-Zellen. Zu ihren Vorteilen gehört die relative Billigkeit, zu den Nachteilen gehören eine kurze Haltbarkeit und ein geringer Stromverbrauch.

Eine bequemere Option sind alkalische galvanische Zellen. Sie werden auch Mangan-Zink genannt. Dabei handelt es sich beim Elektrolyten nicht um eine trockene Substanz wie etwa Kohle, sondern um eine alkalische Lösung. Bei der Entladung geben solche Elemente praktisch kein Gas ab, sodass sie hermetisch verschlossen werden können. Die Haltbarkeit solcher Elemente ist höher als die von Kohlenstoff-Zink-Elementen.

Quecksilberelemente ähneln im Aufbau alkalischen Elementen. Hier kommt Quecksilberoxid zum Einsatz. Solche Stromquellen werden beispielsweise für medizinische Geräte verwendet. Ihre Vorteile sind Beständigkeit gegen hohe Temperaturen (bis zu +50 und bei einigen Modellen bis zu +70 °C), stabile Spannung und hohe mechanische Festigkeit. Der Nachteil sind die toxischen Eigenschaften von Quecksilber, weshalb verbrauchte Elemente sehr sorgfältig gehandhabt und dem Recycling zugeführt werden müssen.

In einigen Zellen wird Silberoxid zur Herstellung von Kathoden verwendet, aber aufgrund der hohen Kosten des Metalls ist ihre Verwendung wirtschaftlich nicht sinnvoll. Häufiger sind Zellen mit Lithiumanoden. Sie sind zwar auch teuer, haben aber von allen betrachteten galvanischen Zellentypen die höchste Spannung.

Eine andere Art galvanischer Zellen sind Konzentrationsgalvanikzellen. In ihnen kann der Prozess der Partikelbewegung mit oder ohne Ionentransfer erfolgen. Beim ersten Typ handelt es sich um ein Element, in das zwei identische Elektroden in unterschiedlichen Konzentrationen eingetaucht sind, getrennt durch eine semipermeable Trennwand. In solchen Elementen entsteht EMF dadurch, dass Ionen in eine Lösung mit geringerer Konzentration übertragen werden. Bei Elementen des zweiten Typs bestehen die Elektroden aus unterschiedlichen Metallen und die Konzentration wird durch chemische Prozesse, die an jeder der Elektroden ablaufen, ausgeglichen. diese Elemente sind höher als die des ersten Typs.

Eine galvanische Zelle ist eine chemische Stromquelle, in der chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Deshalb ist er es. Das Aussehen der gängigsten Batterien ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Aussehen von galvanischen Fingerzellen

Es gibt Salz- (trockene), Alkali- und Lithiumzellen. Galvanische Zellen werden oft als Batterien bezeichnet, aber dieser Name ist falsch, weil... Eine Batterie ist eine Verbindung mehrerer identischer Geräte. Durch die Reihenschaltung von drei galvanischen Zellen entsteht beispielsweise die weit verbreitete 4,5-Volt-Batterie.

Das Funktionsprinzip einer galvanischen Zelle basiert auf der Wechselwirkung zweier Metalle durch einen Elektrolyten, die zur Erzeugung von elektrischem Strom in einem geschlossenen Stromkreis führt. Die Spannung hängt von den verwendeten Metallen ab. Einige dieser chemischen Stromquellen sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Art der Stromquellen	Kathode	Elektrolyt	Anode	Stromspannung, IN
Mangan-Zink	MnO2	KOH	Zn	1,56
Mangan-Zinn	MnO2	KOH	Sn	1,65
Mangan-Magnesium	MnO2	MgBr 2	Mg	2,00
Blei-Zink	PbO2	H2SO4	Zn	2,55
Blei-Cadmium	PbO2	H2SO4	CD	2,42
Blei-Chlor	PbO2	HClO4	Pb	1,92
Quecksilber-Zink	HgO	KOH	Zn	1,36
Quecksilber-Cadmium	HgO2	KOH	CD	1,92
Quecksilber-Zinnoxid	HgO2	KOH	Sn	1,30
Chrom-Zink	K2Cr2O7	H2SO4	Zn	1,8-1,9

Die Hauptprodukte im Handel sind Mangan-Zink-Elemente, die als Salzelemente bezeichnet werden. Batteriehersteller geben ihre chemische Zusammensetzung in der Regel nicht an. Dies sind die günstigsten Voltaik-Zellen und können nur in Geräten mit geringem Verbrauch wie Uhren, elektronischen Thermometern oder Fernbedienungen verwendet werden. Abbildung 2 zeigt das Aussehen und den inneren Aufbau einer Salzbatterie.

Abbildung 2. Aussehen und Struktur einer „trockenen“ galvanischen Zelle

Alkali-Mangan-Batterien sind eine ebenso verbreitete Batterie. Im Verkauf werden sie alkalisch genannt, ohne dass man sich die Mühe macht, den Namen ins Russische zu übersetzen. Die innere Struktur einer alkalischen Voltaikzelle ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 3. Einbauten und Struktur einer alkalischen Voltaikzelle

Diese chemischen Stromquellen haben eine größere Kapazität (2...3 A/h) und können über einen längeren Zeitraum mehr Strom liefern. Höhere Ströme sind möglich, weil... Zink wird nicht in Form eines Glases, sondern in Form eines Pulvers verwendet, das eine größere Kontaktfläche mit dem Elektrolyten hat. Als Elektrolyt wird Kaliumhydroxid verwendet. Gerade aufgrund der Fähigkeit dieser Art von galvanischen Zellen, über lange Zeit einen erheblichen Strom (bis zu 1 A) zu liefern, ist sie heute am häufigsten anzutreffen.

Eine weitere recht häufige Art galvanischer Zellen sind Lithiumbatterien. Dank der Verwendung von Alkalimetallen weisen sie eine hohe Potentialdifferenz auf. Die Spannung von Lithiumzellen beträgt 3 V. Es sind jedoch auch 1,5 V Lithiumbatterien auf dem Markt erhältlich. Diese Batterien haben die höchste Kapazität pro Gewichtseinheit und eine lange Haltbarkeit. Sie werden hauptsächlich zur Stromversorgung von Uhren auf Computer-Motherboards und Fotogeräten verwendet. Der Nachteil sind die hohen Kosten. Das Aussehen von Lithiumbatterien ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4. Aussehen von Lithiumbatterien

Es ist zu beachten, dass fast alle galvanischen Zellen über das Stromnetz aufgeladen werden können. Die Ausnahme ist Lithiumbatterien, die explodieren können, wenn Sie versuchen, sie aufzuladen.

Batterien wurden für den Einsatz in verschiedenen Geräten standardisiert. Die gebräuchlichsten Arten von Gehäusen für galvanische Zellen sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Für die Montage von Batterien im Gehäuse radioelektronischer Geräte stehen derzeit vorgefertigte Batteriefächer zur Verfügung. Ihr Einsatz kann die Entwicklung des Gehäuses eines radioelektronischen Geräts erheblich vereinfachen und die Herstellungskosten senken. Das Aussehen einiger von ihnen ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5. Aussehen der Fächer zur Befestigung galvanischer Batterien

Die erste Frage, die Batteriekäufern Sorgen bereitet, ist ihre Betriebszeit. Dies hängt von der Produktionstechnologie der galvanischen Zelle ab. Ein Diagramm der typischen Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Batterieproduktionstechnologie ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 6. Diagramm der Batteriebetriebszeit in Abhängigkeit von der Produktionstechnologie bei einem Entladestrom von 1 A

Die Ergebnisse der Tests von Batterien verschiedener Unternehmen, die auf der Website http://www.batteryshowdown.com/ durchgeführt wurden, sind in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7. Diagramm der Betriebszeit von Batterien verschiedener Hersteller bei einem Entladestrom von 1 A

Lassen Sie uns abschließend Rückschlüsse ziehen, wo es sinnvoll ist, welchen Batterietyp zu verwenden, da wir beim Kauf von Batterien immer versuchen, den maximalen Nutzeffekt bei minimalen Kosten zu erzielen.

1. Sie sollten Batterien nicht an Kiosken oder auf dem Markt kaufen. Normalerweise liegen sie ziemlich lange dort und verlieren daher aufgrund der Selbstentladung praktisch ihre Kapazität. Dies kann sogar gefährlich für die Ausrüstung sein, denn... Bei der Verwendung billiger galvanischer Zellen (Batterien) kann es zum Austreten von Elektrolyt aus diesen kommen. Dies führt zu einem Geräteausfall! Es ist besser, in Geschäften mit einem guten Warenumschlag einzukaufen.
2. In Geräten, die relativ viel Strom verbrauchen, wie zum Beispiel Taschenlampen, Player oder Kameras, sollten Alkali-Batterien (Alkaline-Batterien) verwendet werden. Die Lebensdauer von Geräten mit geringem Stromverbrauch unterscheidet sich nicht von denen von Salzbatterien.
3. Salz („normale“, galvanische Kohlenstoff-Zink-Zellen) funktioniert perfekt in Uhren, IR-Fernbedienungen und anderen Geräten, die für den Betrieb mit einem Satz Batterien für ein Jahr oder länger ausgelegt sind. Sie können jedoch nicht in der Kälte arbeiten.
4. Die kostengünstigsten Batterien sind heute AA-Batterien. Sowohl die Kleinen (AAA) als auch die Großen (R20) sind bei gleicher Kapazität teurer. Die Kapazität moderner R20-Batterien entspricht fast der von AA-Batterien und ist dreimal so groß!
5. Achten Sie nicht auf beliebte Marken. Galvanische Zellen von Duracell und Energizer kosten eineinhalb bis zwei Mal mehr als Batterien anderer Unternehmen und funktionieren gleichzeitig in etwa gleich

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

Galvanische Zelle	Galvanische Zelle Daniel | Alkalisches Element | | Trockenelement | Konzentrationselement | Zink-Luftelement | Weston-Normalelement
Elektrische Batterien	Bleisäure | Silber-Zink | Nickel-Cadmium | Nickelmetallhydrid | Nickel-Zink-Batterie | Lithium-Ionen | Lithium-Polymer | Lithiumeisensulfid | Lithiumeisenphosphat | Lithiumtitanat | Vanadium | Eisen-Nickel
Brennstoffzellen	Direktes Methanol | Festes Oxid | Alkalisch
Modelle	Batterie | Elektrische Batterie | Brennstoffzelle
Gerät	Anode | Kathode | Elektrolyt

„Staatliches Pädagogisches Institut Arzamas, benannt nach A.P. Gaidar“

Kursarbeit

in Chemie

Thema: Galvanische Zellen

Abgeschlossen von: Student im 5. Jahr

EHF 52 gr. B2 Untergr. Shirshin N.V.

Akzeptiert von: Kinderov A.P.

Planen

Einführung

I. Geschichte der Entstehung chemischer Stromquellen

II. Funktionsprinzip

III. Klassifizierung, Aufbau und Funktionsprinzip chemischer Stromquellen

1. Galvanische Zelle

2. Elektrische Batterien

A) Alkalibatterien

3. Brennstoffzelle

A) Funktionsprinzip

B) Das Prinzip der Trennung von Kraftstoff und Kraftstoffströmen

B) Beispiel einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle

D) Forschungsgeschichte in Russland

D) Anwendung von Brennstoffzellen

E) Probleme mit der Brennstoffzelle

IV. Betrieb von Zellen und Batterien

V. Regeneration galvanischer Zellen und Batterien

VI. Merkmale einiger Arten galvanischer Zellen und ihre kurzen Eigenschaften

Abschluss

Liste der verwendeten Literatur

Einführung

Chemische Stromquellen sind seit vielen Jahren ein Teil unseres Lebens. Im Alltag achten Verbraucher selten auf die Unterschiede zwischen den eingesetzten chemischen Energieträgern. Für ihn sind das Batterien und Akkus. Sie werden typischerweise in Geräten wie Taschenlampen, Spielzeug, Radios oder Autos verwendet. Bei relativ hohem Stromverbrauch (10 Ah) werden Batterien verwendet, hauptsächlich Säurebatterien sowie Nickel-Eisen- und Nickel-Cadmium-Batterien. Sie werden in tragbaren elektronischen Computern (Laptop, Notebook, Palmtop), tragbaren Kommunikationsgeräten, Notbeleuchtung usw. verwendet.

Aufgrund einer Reihe von Umständen sind chemische Generatoren elektrischer Energie am vielversprechendsten. Ihre Vorteile zeigen sich in Parametern wie hoher Energieausbeute; Geräuschlosigkeit und Harmlosigkeit; Einsatzmöglichkeit unter allen Bedingungen, auch im Weltraum und unter Wasser, in stationären und tragbaren Geräten, beim Transport usw.

In den letzten Jahren wurden solche Batterien häufig in der Notstromversorgung von Computern und elektromechanischen Systemen eingesetzt, um Energie für mögliche Spitzenlasten und die Notstromversorgung lebenswichtiger Systeme zu speichern.

Ziele und Ziele. In dieser Arbeit muss ich das Funktionsprinzip galvanischer Zellen analysieren, mich mit der Geschichte ihrer Entstehung, den Klassifizierungsmerkmalen und der Struktur verschiedener Arten galvanischer Zellen sowie der Verwendung bestimmter Arten chemischer Stromquellen in vertraut machen Alltag und verschiedene Produktionsbereiche.

ICH . Geschichte der Entstehung chemischer Stromquellen

Chemische Stromquellen(Abk. HIT) – Geräte, bei denen die Energie der in ihnen ablaufenden chemischen Reaktionen direkt in elektrische Energie umgewandelt wird.

Geschichte der Schöpfung

Voltaischer Pol

Die erste chemische Stromquelle wurde 1800 vom italienischen Wissenschaftler Alessandro Volta erfunden. Es war Voltas Element – ​​ein Gefäß mit Salzwasser, in das Zink- und Kupferplatten eingelassen und durch Draht verbunden waren. Aus diesen Elementen baute der Wissenschaftler dann eine Batterie zusammen, die später Voltaische Säule genannt wurde. Diese Erfindung wurde später von anderen Wissenschaftlern in ihrer Forschung genutzt. Beispielsweise konstruierte der russische Akademiker V. V. Petrov im Jahr 1802 eine voltaische Säule aus 2100 Elementen, um einen Lichtbogen zu erzeugen. Im Jahr 1836 verbesserte der englische Chemiker John Daniel das voltaische Element, indem er Zink- und Kupferelektroden in eine Schwefelsäurelösung legte. Dieses Design wurde als „Daniel-Element“ bekannt. Im Jahr 1859 erfand der französische Physiker Gaston Plante die Blei-Säure-Batterie. Dieser Zellentyp wird auch heute noch in Autobatterien verwendet. Im Jahr 1865 schlug der französische Chemiker J. Leclanchet seine galvanische Zelle (Leclanchet-Element) vor, die aus einem Zinkbecher bestand, der mit einer wässrigen Lösung von Ammoniumchlorid oder einem anderen Chloridsalz gefüllt war und in den ein Agglomerat aus Mangan(IV)-oxid MnO2 gegeben wurde mit einem Kohlenstoffleiter. Eine Abwandlung dieses Designs wird noch heute in Salzbatterien für verschiedene Haushaltsgeräte verwendet. Im Jahr 1890 stellt Conrad Hubert, ein Einwanderer aus Russland, in New York die erste elektrische Taschenlampe her. Und bereits 1896 begann das Unternehmen National Carbon mit der Massenproduktion der weltweit ersten Trockenzellen, Leclanche „Columbia“.

II . Funktionsprinzip

Das Gerät der „Bagdad-Batterien“ (200 v. Chr.).

Die Basis chemischer Stromquellen sind zwei Elektroden (eine Kathode mit einem Oxidationsmittel und eine Anode mit einem Reduktionsmittel), die mit dem Elektrolyten in Kontakt stehen. Zwischen den Elektroden entsteht eine Potentialdifferenz – eine elektromotorische Kraft, die der freien Energie der Redoxreaktion entspricht. Die Wirkung chemischer Stromquellen beruht auf dem Ablauf räumlich getrennter Prozesse in einem geschlossenen Außenkreislauf: An der Kathode wird das Reduktionsmittel oxidiert, die dabei entstehenden freien Elektronen wandern unter Erzeugung eines Entladungsstroms entlang des Außenkreislaufs zur Anode, wo sie an der Reduktionsreaktion des Oxidationsmittels teilnehmen.

Moderne chemische Stromquellen nutzen:

als Reduktionsmittel (an der Anode) - Blei Pb, Cadmium Cd, Zink Zn und andere Metalle;

als Oxidationsmittel (an der Kathode) - Blei(IV)-oxid PbO2, Nickelhydroxid NiOOH, Mangan(IV)-oxid MnO2 und andere;

als Elektrolyt - Lösungen von Laugen, Säuren oder Salzen.

III . Klassifizierung, Gerät und Funktionsprinzip

Je nach Möglichkeit oder Unmöglichkeit der Wiederverwendung werden chemische Stromquellen unterteilt in:

1. Galvanische Zelle

Galvanische Zelle - eine chemische Stromquelle, benannt nach Luigi Galvani. Das Funktionsprinzip einer galvanischen Zelle basiert auf der Wechselwirkung zweier Metalle durch einen Elektrolyten, die zur Erzeugung von elektrischem Strom in einem geschlossenen Stromkreis führt. Die EMK einer galvanischen Zelle hängt vom Material der Elektroden und der Zusammensetzung des Elektrolyten ab. Hierbei handelt es sich um primäre CITs, die aufgrund der Irreversibilität der in ihnen ablaufenden Reaktionen nicht wieder aufgeladen werden können.

Galvanische Zellen sind Einwegquellen für elektrische Energie. Die Reagenzien (Oxidationsmittel und Reduktionsmittel) sind direkt in der Zusammensetzung der galvanischen Zelle enthalten und werden während ihres Betriebs verbraucht. Eine galvanische Zelle zeichnet sich durch EMK, Spannung, Leistung, Kapazität und Energie aus, die an den externen Stromkreis übertragen wird, sowie durch Lagerfähigkeit und Umweltsicherheit.

Die EMF wird durch die Art der im galvanischen Element ablaufenden Prozesse bestimmt. Die Spannung einer galvanischen Zelle U ist aufgrund der Polarisation der Elektroden und Widerstandsverlusten immer kleiner als ihre EMK:

U = Eе – I(r1–r2) – ΔE,

wobei Ee die EMF des Elements ist; I – Stromstärke im Betriebsmodus des Elements; r1 und r2 – Widerstand der Leiter erster und zweiter Art innerhalb der galvanischen Zelle; ΔE ist die Polarisation einer galvanischen Zelle, bestehend aus den Polarisationen ihrer Elektroden (Anode und Kathode). Die Polarisation nimmt mit zunehmender Stromdichte (i) zu, bestimmt durch die Formel i = I/S, wobei S die Querschnittsfläche der Elektrode ist, und zunehmendem Systemwiderstand.

Während des Betriebs einer galvanischen Zelle nehmen ihre EMF und dementsprechend ihre Spannung aufgrund einer Abnahme der Reagenzienkonzentration und einer Zunahme der Konzentration von Redoxprozessprodukten an den Elektroden allmählich ab (denken Sie an die Nernst-Gleichung). Je langsamer jedoch die Spannung beim Entladen einer galvanischen Zelle abnimmt, desto größer sind die Einsatzmöglichkeiten in der Praxis. Die Kapazität eines Elements ist die Gesamtmenge an Elektrizität Q, die eine galvanische Zelle im Betrieb (bei der Entladung) liefern kann. Die Kapazität wird durch die Masse der in der galvanischen Zelle gespeicherten Reagenzien und den Grad ihrer Umwandlung bestimmt. Mit zunehmendem Entladestrom und sinkender Betriebstemperatur des Elements, insbesondere unter 0 °C, nehmen der Umwandlungsgrad der Reagenzien und die Kapazität des Elements ab.

Die Energie einer galvanischen Zelle ist gleich dem Produkt aus Kapazität und Spannung: ΔН = Q.U. Elemente mit einem hohen EMF-Wert, geringer Masse und einem hohen Umwandlungsgrad der Reagenzien weisen die höchste Energie auf.

Unter Lagerfähigkeit versteht man die Länge der Lagerzeit eines Elements, während der seine Eigenschaften innerhalb der angegebenen Parameter bleiben. Wenn die Lager- und Betriebstemperatur eines Elements steigt, verringert sich seine Haltbarkeit.

Zusammensetzung der galvanischen Zelle: Reduktionsmittel (Anoden) in tragbaren galvanischen Zellen sind in der Regel Zink Zn, Lithium Li, Magnesium Mg; Oxidationsmittel (Kathoden) - Oxide von Mangan MnO2, Kupfer CuO, Silber Ag2O, Schwefel SO2 sowie Salze CuCl2, PbCl2, FeS und Sauerstoff O2.

Der massivste der Welt Was bleibt, ist die Produktion von Mangan-Zink-Elementen Mn-Zn, die häufig zur Stromversorgung von Funkgeräten, Kommunikationsgeräten, Tonbandgeräten, Taschenlampen usw. verwendet werden. Der Aufbau einer solchen galvanischen Zelle ist in der Abbildung dargestellt.

Die stromerzeugenden Reaktionen in diesem Element sind :

An Anode(–): Zn – 2ē → Zn2+ (in der Praxis löst sich die Zinkhülle des Elementkörpers allmählich auf);

An Kathode(+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.

Im elektrolytischen Raum finden außerdem folgende Prozesse statt:

U Anode Zn2+ + 2NH3 →2+;

U Kathode Mn2O3 + H2O → oder 2.

In molekularer Form kann die chemische Seite des Betriebs einer galvanischen Zelle durch die Gesamtreaktion dargestellt werden:

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → Cl2 + 2.

Galvanisches Zellendiagramm:

(–) Zn|Zn(NH3)2]2+|||MnO2 (C) (+).

Die EMF eines solchen Systems beträgt E = 1,25 ÷ 1,50 V.

Eine galvanische Zelle ist eine Quelle elektrischer Energie; ihr Funktionsprinzip basiert auf chemischen Reaktionen. Die meisten modernen Batterien und Akkus fallen unter die Definition und fallen in diese Kategorie. Physikalisch gesehen besteht eine galvanische Zelle aus leitenden Elektroden, die in eine oder zwei Flüssigkeiten (Elektrolyte) eingetaucht sind.

allgemeine Informationen

Galvanische Zellen werden entsprechend ihrer Fähigkeit, elektrischen Strom zu erzeugen, in Primär- und Sekundärzellen unterteilt. Beide Arten gelten als Quellen und dienen unterschiedlichen Zwecken. Erstere erzeugen während einer chemischen Reaktion Strom, letztere funktionieren ausschließlich nach dem Laden. Im Folgenden werden wir beide Varianten besprechen. Anhand der Flüssigkeitsmenge werden zwei Gruppen galvanischer Zellen unterschieden:

Ohm bemerkte die Inkonsistenz von Stromquellen mit einer einzigen Flüssigkeit und zeigte, dass Wollastons galvanische Zelle für Experimente zur Untersuchung der Elektrizität ungeeignet war. Die Dynamik des Prozesses ist so, dass der Strom zu Beginn hoch ist und zunächst ansteigt, dann innerhalb weniger Stunden auf den Durchschnittswert abfällt. Moderne Batterien sind launisch.

Geschichte der Entdeckung der chemischen Elektrizität

Es ist eine wenig bekannte Tatsache, dass Johann Georg im Jahr 1752 die galvanische Elektrizität erwähnte. Die von der Berliner Akademie der Wissenschaften herausgegebene Publikation „Eine Studie über den Ursprung angenehmer und unangenehmer Empfindungen“ interpretierte das Phänomen sogar völlig richtig. Experiment: Silber- und Bleiplatten wurden an einem Ende verbunden und die gegenüberliegenden Platten wurden von verschiedenen Seiten auf die Zunge aufgebracht. An den Rezeptoren wird der Geschmack von Eisensulfat beobachtet. Die Leser haben bereits vermutet, dass die beschriebene Methode zur Überprüfung von Batterien in der UdSSR häufig verwendet wurde.

Erklärung des Phänomens: Offenbar gibt es einige Metallpartikel, die die Rezeptoren der Zunge reizen. Bei Kontakt werden von einer Platte Partikel emittiert. Außerdem löst sich ein Metall auf. Tatsächlich ist das Funktionsprinzip einer galvanischen Zelle offensichtlich, bei der die Zinkplatte nach und nach verschwindet und die Energie chemischer Bindungen an den elektrischen Strom abgibt. Die Erklärung erfolgte ein halbes Jahrhundert vor Alessandro Voltas offiziellem Bericht an die Royal Society of London über die Entdeckung der ersten Energiequelle. Aber wie so oft bei Entdeckungen, zum Beispiel bei der elektromagnetischen Wechselwirkung, blieb die Erfahrung von der allgemeinen wissenschaftlichen Gemeinschaft unbemerkt und wurde nicht ordnungsgemäß untersucht.

Fügen wir hinzu, dass dies auf die kürzliche Abschaffung der Strafverfolgung wegen Hexerei zurückzuführen war: Nach der traurigen Erfahrung der „Hexen“ beschlossen nur wenige Menschen, unverständliche Phänomene zu untersuchen. Anders verhielt es sich bei Luigi Galvani, der seit 1775 an der Anatomischen Fakultät in Bologna tätig war. Seine Spezialisierung galt als Reizmittel des Nervensystems, doch die Koryphäe hinterließ bedeutende Spuren nicht auf dem Gebiet der Physiologie. Beccarias Schüler beschäftigte sich aktiv mit Elektrizität. In der zweiten Hälfte des Jahres 1780 wurde der Frosch, wie aus den Memoiren des Wissenschaftlers hervorgeht (1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, Band 7, S. 363), erneut seziert (die Experimente dauerten viele Jahre).

Bemerkenswert ist, dass der Assistent ein ungewöhnliches Phänomen bemerkte, genau wie bei der Ablenkung einer Kompassnadel durch einen stromdurchflossenen Draht: Die Entdeckung wurde nur von Personen gemacht, die indirekt mit wissenschaftlicher Forschung in Verbindung standen. Die Beobachtung betraf das Zucken der unteren Gliedmaßen des Frosches. Während des Experiments berührte der Assistent den inneren Oberschenkelnerv des zu präparierenden Tieres und die Beine zuckten. Auf dem Tisch in der Nähe befand sich ein elektrostatischer Generator, und über dem Gerät zuckte ein Funke. Luigi Galvani machte sich sofort daran, das Experiment zu wiederholen. Was ist gelungen? Und wieder zündete das Auto.

Es entstand eine Parallelverbindung zur Elektrizität, und Galvani wollte wissen, ob ein Gewitter auf einen Frosch in ähnlicher Weise wirken würde. Es stellte sich heraus, dass Naturkatastrophen keine spürbaren Auswirkungen haben. Die Frösche, die mit Kupferhaken am Rückenmark an einem Eisenzaun befestigt waren, zuckten unabhängig von den Wetterbedingungen. Die Experimente konnten nicht mit hundertprozentiger Wiederholbarkeit durchgeführt werden, die Atmosphäre hatte keinen Einfluss. Dabei fand Galvani eine Vielzahl von Paaren aus unterschiedlichen Metallen, die bei Kontakt miteinander und mit dem Nerv die Beine des Frosches zucken ließen. Heutzutage wird das Phänomen durch unterschiedliche Elektronegativitätsgrade von Materialien erklärt. Es ist beispielsweise bekannt, dass Aluminiumplatten nicht mit Kupfer vernietet werden können; Metalle bilden ein galvanisches Paar mit ausgeprägten Eigenschaften.

Galvani stellte zu Recht fest, dass ein geschlossener Stromkreis entsteht, und vermutete, dass der Frosch tierische Elektrizität enthält, die wie ein Leydener Glas entladen wird. Alessandro Volta akzeptierte die Erklärung nicht. Nach sorgfältigem Studium der Beschreibung der Experimente schlug Volta die Erklärung vor, dass ein Strom entsteht, wenn sich zwei Metalle direkt oder durch den Elektrolyten des Körpers eines biologischen Wesens verbinden. Die Ursache des Stroms liegt in den Materialien und der Frosch dient als einfacher Indikator für das Phänomen. Volta zitiert aus einem Brief an den Herausgeber einer wissenschaftlichen Zeitschrift:

Leiter der ersten Art (Feststoffe) und der zweiten Art (Flüssigkeiten) erzeugen bei Kontakt in irgendeiner Kombination einen elektrischen Impuls; heute ist es unmöglich, die Gründe für das Auftreten des Phänomens zu erklären. Der Strom fließt in einem geschlossenen Stromkreis und verschwindet, wenn die Integrität des Stromkreises unterbrochen wird.

Voltaischer Pol

Giovanni Fabroni trug zu der Reihe von Entdeckungen bei und berichtete, dass, wenn zwei Platten eines galvanischen Paares in Wasser gelegt werden, eine davon zu kollabieren beginnt. Daher hängt das Phänomen mit chemischen Prozessen zusammen. Unterdessen erfand Volta die erste Stromquelle, die lange Zeit der Erforschung der Elektrizität diente. Der Wissenschaftler suchte ständig nach Möglichkeiten, die Wirkung galvanischer Paare zu verstärken, fand sie jedoch nicht. Während der Experimente entstand der Entwurf einer Voltaiksäule:

1. Zink- und Kupferbecher wurden paarweise in engem Kontakt zueinander genommen.
2. Die resultierenden Paare wurden durch nasse Pappkreise getrennt und übereinander gelegt.

Es ist leicht zu erraten, dass es sich um eine Reihenschaltung von Stromquellen handelte, die in der Summe den Effekt (Potenzialunterschied) verstärkten. Das neue Gerät verursachte einen Schock, der bei Berührung mit der menschlichen Hand spürbar war. Ähnlich wie Muschenbroeks Experimente mit dem Leidener Glas. Es dauerte jedoch einige Zeit, den Effekt zu reproduzieren. Es zeigte sich, dass die Energiequelle chemischen Ursprungs ist und nach und nach erneuert wird. Doch es war nicht einfach, sich an das Konzept der neuen Elektrizität zu gewöhnen. Die Voltaiksäule verhielt sich wie ein geladenes Leydener Gefäß, aber...

Volta organisiert ein zusätzliches Experiment. Er versieht jeden der Kreise mit einem Isoliergriff, bringt sie eine Zeit lang in Kontakt, öffnet sie dann und untersucht sie mit einem Elektroskop. Zu diesem Zeitpunkt war das Coulombsche Gesetz bereits bekannt; es stellte sich heraus, dass Zink positiv und Kupfer negativ geladen war. Das erste Material gab Elektronen an das zweite ab. Aus diesem Grund wird die Zinkplatte der Voltaiksäule nach und nach zerstört. Zur Untersuchung des Werks wurde eine Kommission eingesetzt, der Alessandros Argumente vorgelegt wurden. Schon damals stellte der Forscher durch Rückschlüsse fest, dass sich die Spannungen einzelner Paare addieren.

Volta erklärte, dass sich die Struktur ohne feuchte Kreise zwischen den Metallen wie zwei Platten verhält: Kupfer und Zink. Es findet keine Verstärkung statt. Volta fand die erste Reihe der Elektronegativität: Zink, Blei, Zinn, Eisen, Kupfer, Silber. Und wenn wir die Zwischenmetalle zwischen den Extremen ausschließen, ändert sich die „treibende Kraft“ nicht. Volta stellte fest, dass Elektrizität existiert, solange die Platten in Kontakt sind: Die Kraft ist nicht sichtbar, aber leicht zu spüren, daher ist sie wahr. Am 20. März 1800 schrieb der Wissenschaftler an den Präsidenten der Royal Society of London, Sir Joseph Banks, an den sich auch Michael Faraday erstmals wandte.

Englische Forscher fanden schnell heraus, dass beim Tropfen von Wasser auf die obere Platte (Kupfer) an einer bestimmten Stelle im Kontaktbereich Gas freigesetzt wird. Sie machten das Experiment von beiden Seiten: Die Drähte eines geeigneten Stromkreises wurden in Flaschen mit Wasser eingeschlossen. Das Gas wurde untersucht. Es stellte sich heraus, dass das Gas brennbar ist und nur von einer Seite freigesetzt wird. Der Draht auf der gegenüberliegenden Seite ist deutlich oxidiert. Es wurde festgestellt, dass das erste Phänomen Wasserstoff ist und das zweite Phänomen aufgrund von überschüssigem Sauerstoff auftritt. Es wurde festgestellt (2. Mai 1800), dass der beobachtete Prozess die Zersetzung von Wasser unter dem Einfluss von elektrischem Strom war.

William Cruikshank zeigte sofort, dass Ähnliches mit Lösungen von Metallsalzen möglich ist, und Wollaston bewies schließlich die Identität der Voltaiksäule mit statischer Elektrizität. Wie der Wissenschaftler es ausdrückte: Die Wirkung ist schwächer, hält aber länger an. Martin Van Marum und Christian Heinrich Pfaff haben ein Leydener Glas dem Element entzogen. Und Professor Humphrey Davy stellte fest, dass reines Wasser in diesem Fall nicht als Elektrolyt dienen kann. Im Gegenteil: Je stärker die Flüssigkeit Zink oxidieren kann, desto besser wirkt die Voltaiksäule, was durchaus mit Fabronis Beobachtungen übereinstimmt.

Säure verbessert die Leistung erheblich, indem sie den Prozess der Stromerzeugung beschleunigt. Am Ende erstellte Davy eine kohärente Theorie der Voltaischen Säule. Er erklärte, dass Metalle zunächst eine bestimmte Ladung haben, die beim Schließen der Kontakte die Wirkung des Elements auslöst. Wenn der Elektrolyt in der Lage ist, die Oberfläche des Elektronendonors zu oxidieren, wird die Schicht aus abgereicherten Atomen nach und nach entfernt, wodurch neue Schichten zum Vorschein kommen, die Strom erzeugen können.

Im Jahr 1803 stellte Ritter eine Säule aus abwechselnden Kreisen aus Silber und nassem Stoff zusammen, den Prototyp der ersten Batterie. Ritter lud es an einer Voltaiksäule auf und beobachtete den Entladevorgang. Die richtige Interpretation des Phänomens wurde von Alessandro Volta gegeben. Und erst 1825 bewies Auguste de la Rive, dass die Übertragung von Elektrizität in einer Lösung durch Ionen der Substanz erfolgt, indem er die Bildung von Zinkoxid in einer Kammer mit sauberem Wasser beobachtete, die von einer angrenzenden Membran getrennt war. Die Aussage half Berzelius bei der Erstellung eines physikalischen Modells, in dem man sich vorstellte, dass das Elektrolytatom aus zwei entgegengesetzt geladenen Polen (Ionen) besteht, die dissoziieren können. Das Ergebnis war ein harmonisches Bild der Stromübertragung über eine Distanz.