XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Гальванический элемент

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пейганович И.И. 1

---

1МБОУ СШ №3

Солнышкина Е.И. 1

---

1МБОУ СШ №3

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность данной темы

Современные люди становятся более мобильными. Современная техника, такая как: средства связи, автомобили, инструмент, приборы жизнеобеспечения, требует применения эффективных портативных источников электроэнергии. По этой причине понимание принципов работы гальванического элемента является актуальным.

Цель работы

Изучить принцип работы гальванического элемента. Сконструировать рабочую модель гальванического элемента.

Задачи работы

1. Изучить принцип генерации электрического тока в гальваническом элементе.

2. Сделать рабочий прототип гальванического элемента.

3. Выявить лучший электролит путём эксперимента.

4. Рассмотреть варианты улучшения характеристик элемента.

1. Теоретическая часть

1.1. Источники электрического тока

Источники электрического тока – устройства, которые превращают различные виды энергии в электрическую энергию. Они делятся на физические и химические.

Физические источники электрического тока – это устройства, которые преобразуют тепловую, механическую, электромагнитную, световую энергию, а также энергию радиационного излучения и ядерного распада в электрическую. Примерами таких источников являются генераторы, фото-, термо-, пьезоэлементы, солнечные панели, ядерные реакторы.

Химические источники электрического тока – это устройства, в которых химическая энергия активных веществ при протекании окислительно-восстановительных процессов превращается непосредственно в электрическую энергию. Это гальванические элементы и аккумуляторы.

В работе рассматриваются химические источники электрического тока.

1.2. Основные параметры химических источников тока

Основными параметрами химического источника тока являются:

- ЭДС определяется как предельная разность потенциалов, возникающая на границе раздела фаз в разомкнутой цепи элемента, позволяет определить эффективность окислительно-восстановительного процесса. Измеряется, как напряжение на элементе при отсутствии нагрузки.

- максимальный ток – наибольшее значение электрического тока, вырабатываемого гальваническим элементом.

- энергетическая ёмкость - количество электричества, которое может отдать при разряде гальванический элемент или аккумулятор.

- габаритные размеры.

1.3. Сравнение гальванического элемента и аккумулятора

Химические источники тока подразделяются на первичные источники, или гальванические элементы, и вторичные, или электрические аккумуляторы. Принцип получения электрической энергии за счёт химической реакции одинаков для любых химических источников тока.

Гальванический элемент является необратимым устройством. После протекания всех реакций восстановить его работоспособность (зарядить) невозможно, в отличие от аккумуляторов.

Гальванические элементы сегодня называют батарейками. Широко распространены три типа батареек: солевые (сухие), щелочные (их называют еще алкалиновыми, «alkaline» в переводе с английского — «щелочной») и литиевые. ЭДС батарейки зависит как от используемых металлов, так и от количества элементов. Входящие в батарейку реагенты, в процессе ее работы расходуются, ток при этом постепенно уменьшается, поэтому действие источника заканчивается после того как реагенты прореагируют полностью.

Рис. 1. Солевая батарейка

Солевой элемент питания — это «сухой» гальванический элемент, внутри которого нет жидкого раствора электролита (рис. 1). Цинковый электрод (+) — это катод в форме стакана, а анодом служит порошкообразная смесь из диоксида марганца с графитом. Ток течет через графитовый стержень. В качестве электролита используется паста из раствора хлорида аммония с добавлением крахмала или муки для загущения.

Щелочной элемент питания — марганцево-цинковый гальванический элемент питания, в котором в качестве катода используется диоксид марганца, в качестве анода — порошкообразный цинк, а в качестве электролита — раствор щёлочи, обычно в виде пасты гидроксида калия.

Литиевый элемент питания — гальванический элемент, в котором в качестве анода используется литий или его соединения. Благодаря использованию щелочного металла они обладают высокой разностью потенциалов. Катод и электролит литиевого элемента могут быть очень разными, поэтому термин «литиевый элемент» объединяет группу элементов с одинаковым материалом анода. В качестве катода могут использоваться, например, диоксид марганца, монофторид углерода, пирит, тионилхлорид и др.

В отличие от гальванического элемента, в аккумуляторе для начала химических реакций, связанных с движением электрических зарядов, необходимо изменить химический состав его электродов и электролита. Это изменение происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока, то есть аккумулятор нужно предварительно «зарядить» постоянным электрическим током от другого источника тока. Наиболее часто применяют свинцовые и никель-кадмиевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых — раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют кислотными, а никель-кадмиевые — щелочными.

Рис. 2. Кислотный аккумулятор

Принцип работы кислотного аккумулятора основан на электрохимической реакции окисления свинца в растворе серной кислоты и воды (рис. 2). При разрядке батареи на положительной пластине происходит окисление металлического свинца, в то время, как на отрицательной пластине восстанавливается уже диоксид свинца. При зарядке происходит обратный процесс, количество диоксида свинца на отрицательной пластине уменьшается, а на положительной пластине увеличивается количество металла. Также при разрядке аккумулятора уменьшается количество серной кислоты в электролите и увеличивается количество воды. А при зарядке происходит обратный п
роцесс.

1.4. Принцип работы гальванического элемента

Гальванический элемент – химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Название элемента дано в честь итальянского учёного Луиджи Гальвани. Гальванические элементы, по своей природе, вырабатывают постоянный ток.

Общий принцип работы гальванического элемента для всех их видов совершенно одинаковый: два металла взаимодействуют между собой через электролит, в результате химической реакции образуется электрический ток.

Рассмотрим принцип работы гальванического элемента на примере медно-цинкового гальванического элемента (рис. 3). Он состоит из цинковой пластины и медной пластины, погруженных в раствор медного купороса. Металл, погруженный в раствор электролита, называется электродом. Электрод, сделанный из более активного металла, то есть металла, расположенного левее в ряду напряжений, называют анодом, а электрод, сделанный из менее активного металла — катодом.

Рис. 3. Работа гальванического элемента

В элементе происходит несколько реакций:

В цинковой пластинке происходит реакция окисления:

Zn⁰ – 2e = Zn²⁺

Цинковая пластинка растворяется.

Электроны, которые выделились в этой реакции, поступают к медной пластинке, где происходит процесс восстановления:

Cu²⁺ + 2e = Cu⁰

На медной пластинке выпадает осадок в виде чистой меди.

В итоге получается уравнение реакции:

Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu

Электрический ток в гальваническом элементе возникает за счет окислительно-восстановительной реакции.

Так как потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, то при замыкании внешней цепи, электроны будут переходить от цинка к меди, то есть образуется электрический ток. В раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. В то же время произойдет разряд 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 или не растворится весь цинк или не высадится на медном электроде вся медь.

2. Создание гальванического элемента

2.1 Необходимые материалы и оборудование

2.2 Электролиты для изучения

2 .3 Ход работы

Работа началась с изготовления прототипа гальванического элемента без электролита (рис. 4). Это пластины из меди (рис. 5) и цинка (рис. 6), помещенные в пластмассовую коробку на небольшом расстоянии друг от друга. Пластинки электродов были размещены в коробке так, чтобы цинк и медь не касались друг друга, иначе внутри элемента произойдёт короткое замыкание. Изготовив два образца, были опробованы разные электролиты, указанные выше. Чтобы зафиксировать отличие электролитов измерялось напряжение, которое выдаёт прототип.

Рис. 5. Медный электрод Рис. 6. Цинковый электрод

Эксперимент

Целью данного эксперимента являлось изучение каждого электролита (из имеющихся), а также выявление лучшего. Лучшим электролитом считался тот, что даст ЭДС, наиболее близкое к стандартной.

Теоретически, гальванический элемент Zn-Cu имеет ЭДС 1,1В, а батарейка типа ААА – 1,2В. Ожидаемая ЭДС элемента Zn-Cu согласно электрохимическому ряду составляет: 1,1 В.

Изделие давало около 1В.

Результаты эксперимента представлены в таблице.

Таблица

Сравнив все электролиты, были выявлены самые лучшие: медный купорос и железный купорос.

Практическое наблюдение

Рис. 8. Осадок на цинковой пластинке из раствора CuSO₄

Рис. 7. Результат эксперимента

М ожно отметить, что ЭДС получилась ниже теоретической, а на цинковом электроде появляется налёт (рис. 7). Вероятная причина этого – применение химически не чистых материалов электродов и электролитов. Прототип обеспечил 2 месяца бесперебойной работы одного светодиода (рис. 13). Затем пластинка цинка покрылась слоем осадка и разрушилась от прикосновения (рис. 8-10).

Рис. 10. Разрушение цинковой пластинки из раствора FeSO₄

Рис. 9. Разрушение цинковой пластинки из раствора CuSO₄

На медной пластинке остался сложно счищаемый осадок, и сама пластинка не разрушилась (рис. 11, 12).

Рис. 12. Медная пластинка после работы

Рис. 11. Медная пластинка до работы

Рис. 13. Работа гальванического элемента

3. Повышение эффективности

самодельного гальванического элемента

Изучение конструкции промышленного элемента в разделе 1.4 и изготовление самодельного позволяет определить способы повышения эффективности гальванического элемента в перспективе.

Так как элемент используется преимущественно в мобильной технике, то под эффективностью следует понимать уменьшение габаритов при одновременном повышении тока и энергоёмкости. Возможны следующие технические решения:

1. Применение сепаратора. Это позволит предотвратить короткие замыкания между электродами, вызываемые продуктами реакции. При этом сепаратор не должен быть препятствием для прохождения ионов. Одновременно он позволит приблизить пластины и тем самым уменьшить габариты.

2. Использовать «сухой» электролит. Пропитать раствором электролита пористый материал или сделать из электролита гель. Это позволит безопасно транспортировать элемент, предотвращая протечку электролита.

3. Увеличить эффективную площадь электродов. Можно сделать электроды пористыми или шероховатыми. Геометрически площадь останется такая же, а поверхность, реагирующая с раствором, станет больше. Пояснить это можно при помощи рисунка 14. При этом увеличится отдаваемый элементом ток, как будто бы соединим несколько элементов параллельно (рис. 15). ЭДС останется такой же.

4. Сделать несколько чередующихся пар электродов в одной ёмкости с электролитом по аналогии с кислотным автомобильным аккумулятором (рис. 16). Эффект будет такой же, как в предыдущем пункте.

5. Продумать устройство оперативного анализа состояния электролита. Например, индикатор наподобие лакмусовой бумаги для проверки концентрации ионов.

6. Выбрать материалы электродов с большей разницей потенциалов в электрохимическом ряду.

Рис. 14. Шероховатость электрода

Рис. 15. Параллельное соединение электродов

Рис. 16. Чередующиеся пары электродов

Заключение

В результате проделанной работы достигнуты следующие результаты:

1. Изучены разновидности химических источников тока, их принцип работы. Определены основные характеристики источников.

2. Изготовлен и исследован действующий гальванический элемент на основе пары электродов Zn-Cu.

3. Изучено влияние нескольких типов электролита, доступных в быту.

4. Отмечено, что фактическое значение ЭДС получилось ниже теоретического. Вероятно, это связано с применением химически не чистых материалов электродов и электролитов.

5. Определены возможные способы улучшения характеристик элемента.

Список использованных источников и литературы

Глинка, Н.Л. Общая химия / В.А. Попков. – Москва, 1985

Хомченко, Г.П. Пособие по химии для поступающих в ВУЗы / Г.П. Хомченко, - Москва, 1998

«Гальванический элемент»: Википедия // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гальванический_элемент

«Принцип работы гальванического элемента»: Как Это Работает? // URL: https://kakrabotaet.ru/kak-eto-rabotaet/princzip-raboty-galvanicheskogo-elementa/