«Зависимость ЭДС и силы тока гальванического элемента от температуры и концентрации электролита»

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 21»  г. Магнитогорска

Индивидуальный проект

Тема проекта: «Зависимость ЭДС и силы тока гальванического элемента от температуры и концентрации электролита»

Тип проекта: исследовательский

Автор проекта:

Авраменко Александр Владимирович,

обучающийся 10А класса

Наставник проекта:  

Мерзляков Сергей Владимирович,                                                                                              

учитель физики

г. Магнитогорск, 2024 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                         3

Историческая справка                                                                        4

1. Теоретическая часть                                                                         5

1.1.  Классификация химических источников тока                                        5

1.1.1.  Гальванические элементы

1.1.2. Аккумуляторы                                                                                7

1.1.3. Топливные элементы

1.2. Гипотетическое влияние различных факторов на параметры

гальванического элемента                                                                        9

1.3. Применение и утилизация химических источников тока                                10

2. Практическая часть                                                                         11

2.1. Исследование зависимости силы тока гальванического элемента от температуры электролита

2.2. Зависимость ЭДС элемента от концентрации электролита

2.3. Зависимость ЭДС гальванического элемента от концентрации ионов - окислителя

Заключение                                                                                         12

Список литературы                                                                                13

Приложения                                                                                         14

Введение

Человечество всегда находилось в поисках «энергетической капсулы».

Сегодня электрохимические источники тока (батареи, аккумуляторы) играют  далеко не последнюю роль  в нашей жизни. Мы используем их для энергоснабжения самых разнообразных устройств: ноутбуков, телефонов, видеокамер и много другого. Химические источники тока (ХИТ) представляют также огромный интерес и заманчивое будущее для автомобильной, космической, авиационной, судостроительной промышленности. Но какими бы характеристиками не обладали современные химические источники тока, остается очень весомый недостаток: недостаточная емкость батарей для обеспечения продолжительной работы прибора в автономном режиме. Сегодня назрела проблема создания новых, экономически выгодных и экологически безвредных источников тока. Однако, последние «доработки» и модернизации ХИТ привели к увеличению емкости, в лучшем случае, в 2-3 раза, а их себестоимость выросла на порядок за счет применения в них дорогостоящих компонентов.  Использование в ХИТ менее дорогих составляющих (свинец, цинк) наносит вред окружающей среде при их утилизации.

В данной работе исследуется актуальная проблема: найти способы совершенствования химических источников тока, которые бы одновременно обеспечивали эффективную работу ХИТ без их существенного удорожания.

Объект исследования: электрохимические источники тока.

Целью проекта является исследование зависимости параметров  ХИТ от физических факторов: температуры и концентрации электролита, а так же влияние наличия и концентрации ионов-окислителей в составе электролита на ЭДС ХИТ.

Основные задачи данной работы:

• изучить теоретические основы и принцип работы современных ХИТ;
• проанализировать их достоинства и недостатки;
• провести экспериментальные исследования влияния физических параметров электролита на значения ЭДС и силу тока;

Для решения поставленных задач применялся комплекс методов исследования:

• теоретические методы (анализ научной  литературы, интернет ресурсов, обобщение исследовательского материала);
• эмпирические методы (эксперимент, моделирование, измерение,  фотографирование).

Данная исследовательская работа выполнена на стыке наук: физика, химия и экология.

В практической части:

• проведены опыты по изучению влияния физических параметров на работу  химических источников тока;

Историческая справка

Первые химические источники тока, очень несовершенные по сегодняшним меркам, позволили обнаружить явление движения электрических зарядов – электрический ток (понятие, до этого не существовавшее), заложить основы электродинамики и электромагнетизма и позже теоретической и прикладной электротехники.
Открытие гальванического электричества, его изучение, а затем и изучение электрического тока привело не только к принципиальным открытиям, но и к установлению самой природы электричества.

Итальянский физиолог и анатом, профессор медицины Болонского университета Луиджи Гальвани начал в 1780г. опыты с препарированными животными, используя при этом электростатическую машину и лейденскую банку. Чаще всего свои эксперименты он проводил с лягушками, что увековечено на мемориальной доске, установленной на доме ученого. Точно неизвестно, как именно Гальвани сделал свое открытие, сам он излагал разные версии разным людям. Как бы то ни было, после 11 лет исследований Гальвани открыл явление сокращения мышц свежепрепарированной лягушки при прикосновении к ним стального скальпеля, если вблизи проскакивали искры от электростатической машины. Гальвани понял, что перед ним что-то новое и тщательно исследовал это явление. Он показал, что для эффекта необходимы металлы, что при наличии тел, не являющихся проводниками электричества, никакого эффекта нет, наконец, он показал даже, что разные металлы дают разную степень эффекта. Но правильного вывода Гальвани не сумел сделать. Будучи врачом, а не физиком, он видел причину в так называемом «животном электричестве».

Тем не менее, сделанное им открытие навсегда сохранило в науке его имя – до сих пор в названиях многих приборов и процессов используется термин гальванический (гальванический элемент, гальванометр, гальванопластика, гальваностегия и др. ).
Тем более велика заслуга соотечественника Гальвани – итальянского физика Алессандро Вольта, увидевшего в открытии Гальвани совершенно новое явление – создание потока электрических зарядов (по терминологии Вольта, электрических флюидов). Нет, утверждал Вольта, никакого «животного» электричества не существует. Роль источника электричества в опытах Гальвани А. Вольта приписал контакту двух разнородных металлов. Более того, Вольта заметил, что движение зарядов тем сильнее, «чем дальше отстоят друг от друга примененные два металла в том ряду, в каком они поставлены здесь: цинк, оловянная фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит» (данное перечисление не что иное, как «ряд Вольта»).

Вольтов столб

Вольта брал две монеты – обязательно из разных металлов и клал их себе в рот – одну на язык, другую – под язык. Если после этого Вольта соединял монеты проволочкой, он чувствовал солоноватый вкус, тот самый, но гораздо слабее, что мы можем почувствовать, лизнув одновременно оба контакта батарейки. Из опытов, проведенных раньше, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством.
Наконец в конце 1799г Вольта создает свой знаменитый источник постоянного электрического тока. Свой генератор электрического тока или первый химический источник электричества, Вольта назвал «электрическим органом», современники – вольтовым столбом, а позднее такое устройство назвали батареей гальванических элементов.
20 марта 1800 года Вольта сообщил о своих исследованиях Лондонскому королевскому обществу. Можно считать, что с того дня источники постоянного электрического тока – Вольтов столб и батарея – стали известны многим физикам и нашли широкое применение.

1. Теоретическая часть

1.1.  Классификация химических источников тока

1. 1. Гальванические элементы

Любой гальванический элемент состоит из двух электродов различной природы, помещенных в электролит. Электродами являются электронные проводники, электрически связанные с одним из выходов (полюсов) элемента и контактирующие с электролитом – растворами солей или желеобразными вещества, приобретающими в результате диссоциации ионную проводимость. На границе раздела между электродом и электролитом протекают окислительно-восстановительные электрохимические реакции, приводящие к пространственному разделению положительных и отрицательных зарядов. Итак, гальванический элемент (электрохимическая цепь) — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

Таким образом, гальванический элемент — это устройство, в котором энергия окислительно-восстановительной химической реакции превращается в электрическую.

Рассмотрим принцип действия простейшего гальванического элемента на основе медного и железного электродов. Если погрузить кусок железа в раствор сульфата меди, то через некоторое время поверхность железа покроется тонкой пленкой меди. Это объясняется тем, что на поверхности железа происходит окислительно-восстановительная реакция:

Fe + Cu2 → Fe2+ + Cu  

В ходе этой реакции ионы меди, присутствующие в растворе сульфата меди, забирают у атомов железа электроны, в результате чего медь восстанавливается, а железо окисляется. Если теперь физически разделить реакции окисления и восстановления, погрузив железо в один сосуд с раствором какой-либо соли двухвалентного железа, а раствор сульфата меди — в другой сосуд, и соединить эти два сосуда (два полуэлемента) «соляным мостиком», а электроды — металлическим проводником, то получится простейший гальванический элемент. В нем, как и прежде, происходят процессы окисления железа

Fe → Fe2+ + 2e-

и восстановления меди

Cu2+ + 2e- → Cu,

однако теперь они физически разделены, а обмен электронами осуществляется по внешней цепи, то есть именно по ней проходит электрический ток. Отметим, что железный электрод погружают непосредственно в раствор электролита, а в раствор сульфата меди — какой - либо инертный электрод, например, угольный стержень, чтобы осуществить электрический контакт с раствором. Соляной мостик, разделяющий сосуды, представляет собой электрический проводник, по которому катионы и анионы перемещаются от одного полуэлемента к другому.

Существуют солевые (сухие), щелочные и литиевые элементы. 

Устройство солевой батарейки (марганцево-цинковая) чрезвычайно простое. Она состоит из цинкового катода, анода – двуокись марганца и электролита – хлорид аммония. Отсюда и название - солевая батарейка, поскольку в качестве электролита выступает соль. [Приложение 2 рис.2]

К их плюсам можно отнести относительную дешевизну, к минусам – небольшой срок хранения и невысокую мощность.

Не менее распространенными являются щелочные марганцевые элементы (алкалиновые батарейки). Алкалиновая батарейка также состоит из анода – порошкообразный цинк, катода – диоксид марганца и электролита, в качестве которого выступает гидроксид калия, который является щелочью. Алкалиновыми батарейки стали называть только потому, что на английский язык щелочь переводится как Alkaline, и на многих батарейках зарубежного производства есть эта надпись. Они обладают большей емкостью (2...3 A/ч), обеспечивают больший ток в течение длительного времени, обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.  

Еще одним достаточно распространенным видом гальванических элементов являются литиевые элементы. Благодаря использованию щелочного металла они обладают высокой разностью потенциалов (3 В). Однако на рынке представлены и 1,5 В литиевые батарейки. Они обладают длительным временем хранения, широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, компьютеров, измерительных приборах, для питания часов на материнских платах, в фототехнике и прочих высокотехнологичных системах.

К недостаткам литиевых элементов следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны.

Кроме рассмотренных гальванических элементов существуют ртутные и серебряные. Серебряные элементы имеют "серебряные" катоды из Ag2O и AgO. Ртутные элементы похожи по своей конструкции на щелочные. Здесь применяют оксид ртути. Такие источники тока используют, например, для медицинской аппаратуры. Их преимущества – устойчивость к высоким температурам (до +50, а в некоторых моделях до +70 ˚С), стабильное напряжение, высокая механическая прочность. Недостаток – токсичные свойства ртути, из-за которых с отработавшими свой срок элементами нужно обращаться очень осторожно и отправлять на переработку.  

2. Аккумуляторы

Аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии многоразового действия. Они состоят из двух электродов (положительного и отрицательного), электролита и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы. Напряжение аккумулятора - это разность потенциалов между полюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.

Аккумуляторы, в зависимости от применяемого в них электролита, подразделяются на кислотные и щелочные. А по типу электрода бывают кадмиево-никелевые, железо-никелевые и серебряно-цинковые аккумуляторы. Следует отметить, что сейчас существует очень много разновидностей современных аккумуляторов. Благодаря им ездят троллейбусы, железнодорожные вагоны, электрокары.

Аккумуляторы широко применяются и в быту. Накопители встроены в портативные устройства: ноутбуки, смартфоны и мобильные телефоны. Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 оС и выдерживают 400 - 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов. Также аккумуляторы используются для аварийного освещения помещения в том случае, когда внезапно отключается свет.

3. Топливные элементы

В последнее время ведется активная работа над совершенствованием топливных элементов питания.

Рассмотрим принцип работы топливных элементов. Всё дело в том, что процесс электролиза воды (диссоциации воды) является обратимым.  При пропускании электрического тока через воду, она расщепляется на водород и кислород, и обратно: водород и кислород можно соединить с получением воды и электричества.

Простейший топливный элемент состоит из специальной мембраны, используемой как электролит, по обе стороны которой нанесены порошкообразные электроды. Водород поступает на анод, а кислород (воздух) - на катод. На каждом электроде происходят разные химические реакции.

         На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, способствующих протеканию реакции диссоциации:

2H2 → 4H+ + 4e-

где H2 - двухатомная молекула водорода (форма, в которой водород присутствует в виде газа); H+ - ионизированный водород (протон); е- - электрон.

С катодной стороны топливного элемента протоны (прошедшие через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) воссоединяются и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды:

4H+ + 4e- + O2 → 2H2O

Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:

2H2 + O2 → 2H2O

Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны - нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру, создают электрический ток, который может быть использован для элемента (нагрузка, например, лампочка). 

1.2. Гипотетическое влияние различных факторов на параметры гальванического элемента

1.2.1 Влияние температуры электролита

Может ли температура электролита оказывать влияние на величину ЭДС гальванического элемента? С теоретической точки зрения, в некоторых случаях, увеличение температуры может ускорить химические реакции на электродах, что приведет к увеличению разности потенциалов и, как следствие, к увеличению ЭДС, ведь над электролитом, как над системой движущихся зарядов, уже совершена работа. Однако в других случаях повышение температуры может вызвать изменение химических свойств материалов электродов, что приведет к уменьшению ЭДС. Таким образом, температурный интервал (рабочий температурный диапазон) играет важную роль в работе гальванического элемента и может, как увеличить, так и уменьшить его электрический потенциал.

1.2.2.  Влияние концентрации ионов электролита

Концентрация электролита в гальваническом элементе также должна влиять на величину ЭДС. Повышение концентрации электролита может увеличить количество ионов, которые могут перемещаться между анодом и катодом, что приводит к увеличению разности потенциалов и, следовательно, к увеличению ЭДС.

 Зависимость электродного потенциала  от  концентрации рассматриваемого иона  при обычных условиях приближенно определяется уравнением Нернста, общий вид которого можно представить в виде:

 Соотношение это дает, прежде всего, возможность уточнить значение электродвижущей силы гальванического элемента путем учета концентрации (точнее, активности) содержащегося в нем электролита.
   

В зависимости от природы металлов, погруженных в электролит, от концентрации электролита и температуры в гальваническом элементе возникает электродвижущая сила (э. д. с.). Последняя представляет разность потенциалов, возникающих на границе раздела металл — электролит.

   Зависимость между концентрациями  растворов, окружающих электроды, и электродвижущей силой гальванического элемента проявляется тем яснее, чем ближе друг к другу в ряду напряжений металлы, из которых сделаны электроды.

1.2.3. Влияние концентрации ионов-окислителей на электродный потенциал гальванического элемента

        Влияние присутствия  в растворе электролита гальванических элементов сторонних ионов, склонных к окислительно-восстановительным процессам, является предметом для достаточно сложных физико-химических расчетов. Однако, эмпирическим путем возможно установить зависимость влияния окислительно-восстановительных пар ионов на всю систему ЭДС элемента, что также исследуется в рамках данного проекта.

3.   Применение гальванических элементов сегодня

Гальванические элементы используются в системе сигнализации, фонарях, часах, калькуляторах, аудиосистемах, игрушках, радио, автооборудовании, пультах дистанционного управления, компьютерах.

Аккумуляторы используются для запуска двигателей машин; возможно также и пр  именение в качестве временных источников электроэнергии в местах, удалённых от населенных пунктов.

Топливные элементы применяются в производстве электрической энергии (на электрических станциях), аварийных источниках энергии, автономном электроснабжении, транспорте, бортовом питании, мобильных устройствах.

2. Практическая часть

1. Исследование зависимости силы тока гальванического элемента от температуры электролита

Для исследования зависимости параметров была использована электрохимическая ячейка, состоящая из медного и цинкового электродов. В качестве электролита  использован 1-молярный раствор хлорида натрия. Значения тока снимались в температурном диапазоне от 80оС до 50оС. График зависимости представлен в Приложении 1.

Доказано, что при снижении температуры электролита, снижается кинетическая энергия носителей заряда, что приводит к снижению силы тока в цепи источника.

2. Зависимость ЭДС элемента от концентрации электролита (NaCl)

С помощью той же электролитической ячейки были сняты показания вольтметра при росте концентрации ионов электролита. Зависимость отражена в виде графика в Приложении 2.

3. В рамках исследования влияния различных факторов на параметры ХИТ был снят график зависимости ЭДС гальванического элемента от концентрации ионов - окислителя (перманганат-ионов MnO42-)  (Приложение 3)

Заключение

        Мои исследования в области параметров химических источников тока, влияние физических факторов на силу тока и напряжение, снимаемых с гальванического элемента, позволяют заключить, что далеко не все потенциалы совершенствования химических источников тока на элементарном уровне, исчерпаны. Необходимо искать условия для увеличения емкости и потенциала ХИТ не в применении дорогостоящих материалов, а во взаимозависимости параметров многокомпонентной системы гальванического элемента.

Действительно, сегодня, гораздо проще заменить цинк на литий, хлорид аммония на гидроксид калия, тем самым, мы не только повышаем себестоимость изделия в разы, но и возводим проблему утилизации «Супер-батарей» в масштаб Вселенной, а разность в цене, очевидно, готовы оплатить потребители.

Я считаю, что эффективность локальных ХИТ возможно и необходимо повышать исключительно за счет потенциала, заложенного в самом элементе. Требуется лишь найти «слабые» места процесса. В ходе исследований, я неоднократно обнаруживал области «нелогичного» состояния электродинамической системы, где, казалось, бы, имеет место линейная, пропорциональная зависимость ее параметров. Однако повторное исследование подтверждало наличие «аномальной» области, в которой я наблюдал отклонение от ожидаемых значений приборов: при малых концентрация ионов электролита ЭДС в начале накопления свободных зарядов растет, а затем резко падает. Несомненно, можно было бы списать эти каверзы на нечистоту эксперимента, но повторяемость результатов – вещь упрямая и говорит об объективных явлениях, которые невозможно описать существующими физико-математическими закономерностями.

В ходе работы я столкнулся с рядом интересных факторов, которые считаю предметом дальнейших исследований на более тонком и детальном уровне. Считаю свою работу, посвященную данной теме незавершенной, видя перед собой дальнейшие пути исследований.

Однако, цели и задачи, поставленные перед собой в начале работы, считаю достигнутыми и выполненными. Работа была интересной и познавательной.

Литература

Гармашова И.В., Даниловская Л.П. Методические указания для самоподготовки по теме ЭЛЕКТРОХИМИЯ

Чирков Ю.Г. Любимое дитя электрохимии, ПРОСВЕЩЕНИЕ, М 1989  

Сайты:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Гальванический_элемент 

https://nauchniestati.ru/spravka/elektrodvizhushhaya-sila-galvanicheskogo-elementa/

https://studfile.net/preview/3015596/page:18/

Приложение 1

Зависимость тока гальванического элемента от температуры электролита

I, мА

Приложение 2 

Зависимость ЭДС элемента от концентрации электролита

Приложение 3

Зависимость ЭДС элемента от концентрации ионов окислителя