Курсовая теория на тему Термодинамика гальванических элементов

Содержание:

Содержание 2
Введение 3
1. Термодинамика гальванического элемента 4
1.1. Понятие электрода и гальванического элемента 4
1.2. Понятие электродвижущей силы 9
1.3. Схема записи гальванического элемента 10
2. Типы обратимых гальванических элементов 13
2.1. Химические гальванические элементы 13
2.2. Концентрационные гальванические элементы 14
2.3. Физические гальванические элементы 16
Заключение 18
Список использованной литературы 20

Введение:

Химические источники тока в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь.
В настоящее время не стоит вопрос о получении с помощью гальванических элементов больших количеств электрической энергии и это вряд ли целесообразно, поскольку потребности современного общества в электроэнергии вполне удовлетворяются за счет сети электропередач.
Однако в технике и быту постоянно растет число таких приборов, машин и сигнальных устройств, для которых требуются автономные, малогабаритные легкие и надежные источники тока [5].
В отличие от электростанций, гальванический элемент или привычней говоря — батарейка, огромную мощность не способна дать нам, но без неё невозможно обойтись в тех случаях, когда обычная сеть не доступна либо не целесообразна.
Здесь можно назвать источники тока для электроинструментов, сигнальных устройств, транзисторных приемников, электрических карманных фонариков, наручных часов и т.д. и, конечно же, для искусственных спутников Земли и космических лабораторий.
Гальванические элементы находят также применение в различных предохранительных устройствах [7].
Эти элементы мы часто называем батарейками, не задумываясь об их устройстве и принципе работы.
При этом в настоящее время существует огромное количество различных элементов питания, отличающиеся друг от друга не только размерами, но и устройством. Наиболее распространенные из них «пальчиковые», «плоские», «крона», «таблетки» и другие.
Между тем, батарейки являются химическими устройствами [12].
Объект работы — гальванические элементы.
Предмет работы — термодинамика гальванических элементов.
Целью работы является изучение термодинамики гальванических элементов.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
— охарактеризовать понятие электрода и гальванического элемента;
— дать определение понятия электродвижущей силы;
— описать схему записи гальванического элемента;
— охарактеризовать химические гальванические элементы;
— дать характеристику концентрационных гальванических элементов;
— описать физические гальванические элементы.
Информационной базой при написании работы являлась специальная литература, посвященная физической химии гальванических элементов, а также научные публикации в периодических изданиях.
Структура работы включает в себя введение, две главы, заключение и список использованной литературы.

Заключение:

Гальваническим элементом называют устройство, в котором протекает самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция, причем полуреакции (окисления и восстановления) разделены в пространстве, и электроны переходят из одной зоны в другую по внешнему проводнику, в результате чего возникает электрический ток.
Любой гальванический элемент состоит из, как минимум, двух электродов, на одном из которых протекает полуреакция окисления, на другом — полуреакция восстановления.
Электродом в данном случае называют не только металлическую пластину (как при электролизе). В химическом источнике тока электрод обязательно включает в себя один или несколько проводников второго рода (растворы или расплавы электролитов, твердые электролиты). Частями электрода являются все те вещества, которых участвуют в полуреакции, протекающей на этом электроде.
Электрод, на котором протекают процессы окисления, называют анодом, на катоде протекают процессы восстановления. В химических источниках тока катод положителен, анод — отрицателен.
Различают обратимые и необратимые электроды.
Обратимым называют такой электрод, на котором при перемене направления тока полуреакция протекает в обратном направлении.
На необратимом электроде при изменении направления тока протекает новый химический процесс.
Цепь, состоящая из двух обратимых электродов, также будет обратимой.
Самой важной характеристикой гальванического элемента является его электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС элемента — это предельная разность потенциалов, возникающая на концах разомкнутой цепи, т. е. сумма всех скачков потенциала на всех границах раздела в правильно разомкнутой цепи. В системе единиц СИ ЭДС измеряется в вольтах.
Численно ЭДС равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего замкнутого контура.
ЭДС всегда положительна, поскольку она соответствует определенному самопроизвольно протекающему процессу, дающему положительную работу.
Гальванический элемент может быть составлен из любых двух электродов с различными потенциалами. Разность потенциалов может быть обусловлена различными причинами, в соответствии с чем гальванические элементы подразделяют на:
— химические, электроды которых различны по химической природе. В этом случае источником энергии служит самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция;
— физические, которые создаются и из двух идентичных по химической природе электродов, имеющих одинаковые активности. Для этого электроды должны отличаться по физическому состоянию веществ. Термогальванические цепи состоят из электродов, имеющих разную температуру. Сила тока в такой цепи падает по мере выравнивания температур;
— концентрационные, в которых используются два одинаковых по природе электрода, отличающихся активностями участников реакции. В концентрационном элементе не протекает окислительно-восстановительной реакции. Электрический ток в таком элементе возникает за счет самопроизвольного выравнивания концентраций (активностей).
Гальванические элементы характеризуют также по наличию или отсутствию границы раздела между двумя жидкими фазами, на которой происходит перенос ионов. Это может быть граница между двумя растворами, содержащими различные электролиты, или между растворами одного и того же состава, но различающимися по концентрации.

Фрагмент текста работы:

Рисунок 1 — Обратимый цинковый электрод [9]

Если такой электрод является частью гальванического элемента, то на нем протекает реакция окисления:
Zn0 — 2e → Zn+2
Если же через цепь, содержащую такой электрод, пропустить в обратном направлении ток от внешнего источника, то на электроде пойдет противоположная реакция:
Zn+2 + 2е → Zn0
На необратимом электроде при изменении направления тока протекает новый химический процесс.
Цепь, состоящая из двух обратимых электродов, также будет обратимой [15].
В 1836-40 гг. Дж. Даниэль и Б.С. Якоби независимо друг от друга разработали обратимый гальванический элемент, производящий электричество в результате протекания окислительно-восстановительной реакции
Zn + CuSО4 = ZnSО4 + Сu,
или, в ионной форме,
Zn + Сu+2 = Zn+2 + Сu (1)
Схема устройства элемента Даниэля-Якоби приведена на рис. 2 [9].
Рисунок 2 — Обратимый гальванический элемент Даниэля-Якоби:
1 — медная пластина; 2 — раствор соли меди; 3 — цинковая пластина; 4 — раствор соли цинка; 5 — солевой мостик; 6 — ключ для замыкания и размыкания электрической цепи; 7 — лампочка [9]

Элемент Даниэля-Якоби состоит из двух обратимых электродов — медного (медная пластина, погруженная в раствор, содержащий ионы Сu+2, например, раствор CuSО4) и цинкового (пластина цинка, опущенная в раствор, содержащий ионы Zn+2, например, раствор ZnSО4) [19].
Растворы могут быть разделены пористой мембраной, как показано на рис. 3. В этом случае на границе раздела растворов существует диффузионный потенциал [9].
Рисунок 3 — Схема процессов, происходящих в элементе Даниэля-Якоби [9]

При точных измерениях диффузионный потенциал стремятся минимизировать (поскольку его невозможно вычислить). С этой целью между растворами помещают не мембрану, а соленой мостик («электролитический ключ») (рис. 2) [9].
Солевой мостик заполняют раствором 1,1-валентной соли, катион и анион которой имеют близкие к 0,5 числа переноса (например, хлоридом калия, у которого в широком интервале концентраций и ). При этом на концах ключа, опущенных в два различных раствора, возникает два диффузионных потенциала. Эти потенциалы примерно равны и взаимно компенсируют друг друга. При использовании солевого мостика диффузионный потенциал приближенно можно считать равным нулю.
Простейший мостик можно сделать из полоски фильтровальной бумаги, пропитанной раствором соли. Часто мостик представляет собой стеклянную трубку, заполненную агар-агаром (или желатином, модифицированным крахмалом, карбоксиметилцеллюлозной) и выдержанную в растворе соли [15].
Процессы, происходящие в рассматриваемой цепи, показаны на рис. 3.
Цинковый электрод в элементе Даниэля-Якоби — отрицательный (анод), на нем протекает полуреакция окисления цинка:
При этом атомы, находившиеся изначально на поверхности металла, оставляют на ней электроны и переходят в раствор в виде ионов. Цинковая пластинка постепенно истончается. В растворе около ее поверхности появляется избыток катионов, не скомпенсированных анионами SО4-2.
Медный электрод является положительным (катодом); на нем протекает полуреакция восстановления меди:
Cu+2 + 2е → Cu0 (3)
В результате протекания этого процесса катионы, находившиеся в растворе, осаждаются на поверхности пластинки, достраивая кристаллическую решетку меди. Около поверхности пластины остаются нескомпенсированные анионы SО4-2. На электроде нарастает новый слой меди. Недостаток электронов при этом восполняется за счет тех, которые оказались в избытке на поверхности цинка [24].
При замыкании цепи избыток электронов, образовавшийся в цинковой пластине, по внешнему проводнику переходит на медную пластинку. В свою очередь избыток сульфат-анионов, образовавшийся на медном электроде, через мембрану (или по солевому мостику) движется к цинковому электроду. При этом в цепи пойдет ток, и лампочка (рис. 2) загорится [9].
В сумме две полуреакции (2) и (3), самопроизвольно протекающие в элементе Даниэля-Якоби, дают общую реакцию (1).
Окислительно-восстановительную реакцию, протекающую в гальваническом элементе, часто записывают в общем виде:
v1Ox1 + v2Red2 → v1Red1 + v2Оx2, (4)
где Oxі и Redі — окисленная и восстановленная формы і-го участника суммарной реакции, которая состоит из двух полуреакций: восстановления (5) и окисления (6) [10]: