budowa_ogniw.pdf

(247 KB) Pobierz
INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I
BIOMEDYCZNYCH
INSTRUKCJA DO
ĆWICZEŃ
Z CHEMII OGÓLNEJ
“Budowa ogniw”
Opracowała
Dr inż. Santina Topolska
1. WPROWADZENIE DO ZAGADNIENIA
Przygoda chemii z elektrycznością rozpoczęła się dawno temu, bo w 1800 roku, wtedy to
A.Volta skonstruował pierwsze ogniwo służące jako
źródło
prądu; nie licząc „starożytnej
baterii z Bagdadu”. Ogniwo owo umożliwiło m.in. rozkład wody na wodór i tlen. Ogniwa
połączone w baterie pozwoliły dokonać wielu odkryć, m.in. pierwiastków; np. H.Davy
(nazwany „ojcem pierwiastków”) odkrył sód, potas magnez i wapń (1807-1808). Baterie ogniw
umożliwiły dokonanie przemian, które nie mogły być realizowane podczas zwykłych reakcji
chemicznych. I tak narodziła się elektrochemia.
Elektrochemia, wg współczesnej definicji, to dział chemii zajmujący się badaniem zjawisk
towarzyszących przekształceniom energii chemicznej w elektryczną i elektrycznej w
chemiczną.
2.
W CO MOŻNA ZAMIENIĆ PRĄD ELEKTRYCZNY?
Omawiając zagadnienie ogniw galwanicznych od samego początku nasuwa się pytanie
skąd bierze się energia, którą możemy z nich czerpać?
Żeby
odpowiedzieć na tak postawione
pytanie – należy wyjść od związków jonowych. Każdy jon obdarzony jest
ładunkiem
elektrycznym, dodatnim lub ujemnym. Właśnie to jony są nośnikami
ładunków
w ogniwach.
Najprostszą metodą wykazania tej cechy jest badanie przewodnictwa elektrycznego soli
kuchennej (NaCl). Sól kuchenna jako ciało stałe nie wykazuje przewodnictwa, a co za tym
idzie nie przewodzi prądu, ponieważ
ściśle
uporządkowana sieć krystaliczna uniemożliwia
wędrówkę jonów. Związek ten przewodzi prąd jedynie wtedy, gdy znajduje się w roztworze
lub, gdy go stopimy. Ale przewodnictwo prądu przez związki jonowe ma jeszcze jedną,
charakterystyczną cechę, różniącą je od przewodnictwa metali i ich stopów. Związki jonowe,
przewodząc prąd elektryczny ulegają procesom chemicznym: utlenianiu i redukcji. Pierwszym
uczonym, który zauważył tę właściwość był M. Faraday. Skorzystał z jego obserwacji inny
uczony, S. Arrhenius, który udowodnił,
że
po przyłożeniu napięcia do zanurzonych w
elektrolicie elektrod, znajdujące się w nim jony dążą w zależności od
ładunku
do elektrody
połączonej z dodatnim lub ujemnym biegunem
źródła
energii elektrycznej. Po dotarciu do
elektrody jony oddają nadmiar elektronów lub je pobierają, osiągają obojętny
ładunek
elektryczny i mogą się wydzielać na elektrodach w postaci pęcherzyków gazów lub osadów.
Jak zatem rozpoznać elektrody? Ta, na której jony redukują się nazywana jest katodą,
natomiast ta, na której biegnie proces utleniania nazywana jest anodą.
Przypisywanie im
określonych „znaków” zależy od tego czy mamy do czynienia z samorzutnym procesem
oddawania
ładunków
czy wymuszonym
(rys. 1).
K (-)
A (+)
2 H
+
+ 2e
-
→
H
2
↑
PbSO
4
+ 2 H
2
O
→
PbO
2
+ SO
42-
+ 4 H
+
+ 2e
-
K (+)
A (-)
2NH
4+
+ 2e
-
→
2NH
3
↑
+ H
2
↑
Pb + SO
42-
→
PbSO
4
+ 2e
-
Rys. 1 Przykład ogniwa oraz przykłady procesów katodowych i anodowych (z
uwzględnieniem procesu wymuszonego i samorzutnego)
3. ELEKTRODA I POTENCJAŁ ELEKTRODY
Elektroda, półogniwo
– układ złożony z przewodnika I klasy, roztworu elektrolitu
ewentualnie innych faz (gazy, ciała stałe) stykających się z metalem i biorących udział w
reakcji elektrodowej. W układzie półogniwa biegnie w odpowiednich kierunkach reakcja
elektrodowa, która różni się od innych tym,
że
uczestniczą w niej bezpośrednio, w charakterze
reagentów, swobodne elektrony, z czym
ściśle
wiąże się występowanie różnicy potencjału
elektrycznego pomiędzy roztworem a metalem, czyli potencjał elektrody.
Dobierając odpowiednio dwa układy półogniw uzyskuje się pierwowzór ogniwa
galwanicznego, a rezultacie siłę elektromotoryczną E równą różnicy potencjałów
poszczególnych elektrod (równ. 1)
E=
π
+
-
π
-
ujemnej).
(
1)
gdzie; E – siła elektromotoryczna ogniwa [V],
π
+
,
-
- potencjał elektrody [V], (dodatniej i
Przez SEM ogniwa należy rozumieć jego napięcie pomiędzy elektrodami otwartymi,
mierzone metodami kompensacyjnymi.
Potencjał elektrody a wzór NERNSTA
Wielkość potencjału zależy od rodzaju metalu (M), elektrolitu i aktywności (stężeń)
jonów w roztworze:
⇒
jeżeli elektrodę zanurzymy w roztworze swych jonów (M/M
z+
) (równ. 2),
2,303
RT
π
=
π
+
log
a
M
z
+
zF
0
(2)
gdzie;
π
- potencjał elektrody,
π
0
– standardowy potencjał elektrody, F – stała Faradaya, z –
ładunek
jonów M
z+
, a – aktywność kationów
4. WADY I ZALETY OGNIW
Najczęściej spotykanym ogniwem, jest ogniwo suche Leclanchégo, złożone z
cynkowego kubeczka i grafitowego rdzenia oraz wypełnionym wilgotną pastą z zawartym
elektrolitem. Modyfikacją tego ogniwa jest bateria alkaliczna, gdzie zastosowano substancję
zasadową jako elektrolit, charakteryzująca się lepszymi parametrami użytkowymi.
Baterie mają wiele zalet, m. in. są małe, ale mają jedną podstawową wadę – nie można
ich użyć powtórnie po rozładowaniu. Największej wady zwykłych ogniw pozbawione są
akumulatory – tzw. ogniwa odwracalne, które można naładować i powtórnie użyć. Poza
akumulatorami istnieje jeszcze jeden rodzaj ogniw – ogniwa paliwowe, gdzie energia
elektryczna uzyskiwana jest w wyniku elektrochemicznego utleniania wodoru lub substancji
organicznych (np. etanolu). Zbudowanie wydajnych ogniw paliwowych pozwoli skonstruować
samochody elektryczne dorównujące osiągami samochodom benzynowym.
5. PRZEBIEG
ĆWICZENIA
i APARATURA
Ćwiczenie
ma na celu zapoznanie się z budową ogniw galwanicznych równego rodzaju.
- budowa ogniwa cynkowo miedzianego Volty
- budowa ogniwa paliwowego
- budowa innych ogniw
Wyposażenie stanowiska;
- płytka miedziana i cynkowa, przewody miedziane, woda, kwas siarkowy VI, woltomierz
- płytka miedziana i cynkowa, przewody miedziane, roztwory siarczan VI cynku II i siarczan
VI miedzi II, klucz elektrolityczny, woltomierz
- dwie elektrody grafitowe, przewody miedziane, woda, kwas siarkowy VI,
źródło
prądu,
woltomierz
- różnego rodzaju elektrody, przewody miedziane, różne owoce i warzywa, woltomierz
6. LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
Bielański A.: Chemia ogólna i nieorganiczna, PWN, W-wa 1986, 1997
L. Gaszyński „Z prądem i o prądzie” Warszawa 1981
Sylabus „Chemia ogólna z elementami chemii fizycznej”, Pol.
Śl.,
Wydział MT
Instrukcja do
ćwiczeń
„Korozja zanurzeniowa”, Pol.
Śl.,
Wydział MT
Zagadnienia do kolokwium
Obowiązuje instrukcja obecna oraz instrukcja „Korozja zanurzeniowa”

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin