pyt. 46- ogniwa galwaniczne itp..doc

46) Ogniwa galwaniczne (rodzaje, budowa, SEM ogniwa i jej pomiar):

Źródło- Internet:

Ogniwo galwaniczne jest to urządzenie zamieniające bezpośrednio energię chemiczna na energię elektryczną prądu stałego. Proces ten następuje w wyniku reakcji elektrochemicznych (tzn. reakcji chemicznych z oddawaniem lub przyłączaniem elektronów).Ogniwo zasadniczo składa się z dwóch elektrod zanurzonych w roztworze odpowiedniego elektrolitu (tzn. substancji, której cząsteczki w roztworze ulegają dysocjacji elektrolitycznej, czyli rozpadowi na pary jonów dodatnich i ujemnych). Właśnie jony powstałe w wyniku dysocjacji warunkują powstawanie na powierzchniach elektrod podwójnych warstw elektrycznych. Wskutek tego elektroda zyskuje pewien potencjał względem roztworu (tzw. napięcie kontaktowe). Połączenie zewnętrznym przewodnikiem elektrod o różnym potencjale względem roztworu, zanurzonych w roztworze elektrolitycznym, powoduje przepływ prądu przez przewodnik.

Ogniwo galwaniczne – ogniwo, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą, a elektrolitem. Dwie elektrody zanurzone w elektrolicie (półogniwa) tworzą ogniwo galwaniczne. Różnica potencjałów elektrod gdy przez ogniwo nie płynie prąd jest równa sile elektromotorycznej ogniwa (SEM).

Przykłady ogniw galwanicznych:

·         ogniwo Daniella

·         ogniwo Leclanchégo

·         ogniwo ołowiowe

·         ogniwo Volty

·         ogniwo Westona

·         przeciwogniwo

Ogniwo Daniella - ogniwo galwaniczne, w którym pierwsze półogniwo stanowi elektroda cynkowa zanurzona w roztworze siarczanu cynku ZnSO4, a drugie elektroda miedziowa zanurzona w roztworze siarczanu miedzi CuSO4. W ogniwie tym oba półogniwa nie stykają się ze sobą bezpośrednio lecz są połączone kluczem elektrolitycznym, najczęściej wykonanym z roztworu chlorku potasu (KCl) w agar-agarze. Klucz elektrolityczny uniemożliwia mieszanie się roztworów elektrolitów oraz zapobiega gromadzeniu się nadmiaru ładunku ujemnego bądź dodatniego w zalezności czy rozpatrujemy anodę czy katodę.

Ogniwo Leclanchégo – najpopularniejsze ogniwo galwaniczne występujące powszechnie w handlu np. jako popularne tzw. baterie paluszki (o napięciu 1,5 V) lub baterie płaskie (o napięciu 4,5 V – trzy ogniwa połączone szeregowo). Powszechnie (i błędnie) używana nazwa bateria wynika z tego, że kiedy upowszechniał się sprzęt z zasilaniem bateryjnym, wymagane były napięcia możliwe do uzyskania jedynie z kilku ogniw (czyli baterii). Wtedy też najpopularniejszą formą, w jakiej spotykano ogniwa, była wspomniana bateria płaska.

Schemat ogniwa: (-)Zn|NH4Cl,MnO2|C (+).

Pierwotnie ogniwo było zbudowane z elektrody węglowej w porowatym pojemniku ze sproszkowanym tlenkiem manganu(IV) umieszczonej w zbiorniku z roztworem chlorku amonu i zanurzoną w nim elektrodą cynkowa.

Występujące na rynku ogniwa zwykle są zbudowane z cynkowego płaszcza wypełnionego wilgotną pastą chlorku amonu, w której jest porowaty pojemnik ze sproszkowanym tlenkiem manganu(IV)i grafitową elektrodą.

Bezpośrednim źródłem SEM w ogniwie Leclanchégo są reakcje utlenienia cynku (elektroda cynkowa) i redukcji jonów amonowych (elektroda węglowa):

Zn → Zn2+ + 2e-

2NH4+ + 2e- → 2NH3 + H2↑

Powstający amoniak jest wiązany przez kationy cynkowe w kation diamminacynku(II):

Zn2+ + 4NH3 → [Zn(NH3)4]2+

Natomiast powstający wodór jest wiązany przez tlenek manganu(IV), który pełni rolę depolaryzatora:

2MnO2 + H2 → Mn2O3 + H2O

Ogniwo występować może w postaciach: mokrej, półsuchej i suchej. Z przyczyn praktycznych w handlu występuje tylko w tej ostatniej postaci. Elektroda cynkowa tworzy kubek, wewnątrz którego umieszcza się grafitową pałeczkę otoczoną masą tlenku manganu(IV) nasączoną roztworem salmiaku (chlorku amonu). Całość zatapia się masą smołową chroniącą przed wyciekiem elektrolitu i przed wyschnięciem ogniwa. SEM ogniwa: 1,5 V

Akumulator kwasowo-ołowiowy – rodzaj akumulatora elektrycznego, opartego na ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody ołowiowej, elektrody z tlenku ołowiu(IV) (PbO2) oraz ok. 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego rolę elektrolitu.

Akumulator ołowiowy został wynaleziony przez francuskiego fizyka Gastona Planté w 1859 r. Mimo wielu jego wad jest to wciąż najbardziej popularny rodzaj akumulatorów elektrycznych. Występuje w niemal wszystkich samochodach, a także wielu innych pojazdach (np. Melex). Oprócz tego stanowi często jeden z elementów awaryjnego zasilania budynków, zakładów przemysłowych, szpitali, centrali telefonicznych i polowych systemów oświetleniowych.

Typowy akumulator samochodowy jest zbudowany z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych połączonych szeregowo. Każde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną (SEM) równą 2,1 V. Cały akumulator generuje zatem napięcie znamionowe równe 12,6 V.

Pojedyncze ogniwo składa się z:

·         anody wykonanej z metalicznego ołowiu - (-) - w trakcie poboru prądu i (+) w trakcie ładowania

·         katody wykonanej z PbO2 - (+) - w trakcie poboru prądu i (-) w trakcie ładowania

·         elektrolitu - którym jest wodny, ok. 37% roztwór kwasu siarkowego z rozmaitymi dodatkami

W ogniwie tym, w trakcie poboru prądu zachodzą następujące reakcje chemiczne na elektrodach:

anoda - utlenianie

katoda - redukcja

W trakcie ładowania zachodzą dokładnie takie same reakcje, tyle że w drugą stronę.

Jak widać na obu elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczan(VI) ołowiu(II) (PbSO4). Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu obu elektrod w stały siarczan ołowiu i jest nieodwracalny. W praktyce zapobiega się tzw. zasiarczeniu elektrod stosując specjalną ich konstrukcję, która utrudnia osadzanie się na ich powierzchni nieprzenikalnej warstwy kryształów siarczanu ołowiu. Akumulatory samochodowe nie są jednak generalnie zaprojektowane do częstego całkowitego rozładowania, lecz raczej do funkcjonowania w stanie całkowitego naładowania. Każde rozładowanie akumulatora samochodowego skutkuje trwałym obniżeniem jego sprawności.

Z drugiej strony - przeładowanie akumulatora skutkuje wydzieleniem dużych ilości wodoru (tzw. zagotowaniem). Wodór w połączeniu z powietrzem tworzy mieszankę wybuchową, która może eksplodować pod wpływem iskry elektrycznej. Stąd ładowanie akumulatorów należy przeprowadzać w dobrze wentylowanych wnętrzach lub na otwartym terenie.

Ogniwo Volty - płytka cynkowa i miedziana zanurzone w roztworze wodnym kwasu siarkowego. Obwód zamknięty: - Zn | H2SO4 | Cu +. Należy do jednych z najstarszych ogniw galwanicznych. Siła elektromotoryczna ogniwa wynosi około 1,1 V.

Kwas siarkowy występuje w roztworze w formie zdysocjowanej:

H2SO4 + 2 H2O -> 2 H3O+ + SO42-

Na elektrodzie cynkowej zachodzi utlenianie jej materiału do kationów Zn+2, które przechodzą do roztworu, gdzie przeciwjonami dla nich są aniony siarczanowe SO42-, pochodzące z dysocjacji kwasu siarkowego Na elektrodzie miedzianej zachodzi reakcja redukcji jonów hydroniowych do gazowego wodoru.

Sumarycznie procesy zachodzące na elektrodach sprowadzają się do:

·         elektroda cynkowa: Zn --> Zn2+ + 2e

·         elektroda miedziana: 2 H+ + 2e --> H2

zaś jony siarczanowe nie uczestniczą w gruncie rzeczy w całym procesie, spełniając tylko rolę przeciwjonów dla jonów hydroniowych i cynkowych.

Ogniwo Westona - ogniwo galwaniczne w którym elektrodę dodatnią stanowi rtęć, ujemną amalgamat kadmu, a elektrolitem jest roztwór nasycony siarczanu kadmu.

Nad rtęcią znajduje się siarczan rtęci Hg2SO4 utarty z siarczanem kadmu CdSO4 oraz z rtęcią, w postaci tzw. pasty. W obu rurkach znajdują się także kryształy CdSO4, a całość wypełniona jest wodnym roztworem siarczanu kadmowego. W temperaturze równej 293,15 K (20 °C) siła elektromotoryczna ogniwa Westona wynosi 1,0185-1,0187 V.

Ogniwo to jest zwykle konstruowane w kształcie litery "H" z przewężeniami w połowie dolnych ramion, które zapobiegają przemieszczaniu się chemikaliów podczas transportu ogniwa. Zwykle ogniwa Westona są formowane na kształt litery H.

Z ogniw tych nie należy pobierać ani też przepuszczać przez nie prądu przez dłuższy czas o natężeniu przekraczającym 1 μA. Pobór prądu o natężeniu powyżej 100 μA eliminuje ogniwo jako wzorzec napięcia. Rezystancja wewnętrzna ogniwa nie przekracza zwykle 1 ...