Przepływ prądu elektrycznego przez ciecze i gazy

Przepływ prądu
elektrycznego przez
ciecze i gazy
Co to jest dysocjacja?
• Dysocjacja – rozpad cząsteczek elektolitu na kationy
(jony dodatnie) i aniony (jony ujemne) pod wpływem
wody.
• Dysocjacja może zachodzić też podczas stopienia
związków (zasady i sole)
• Jony są nośnikami prądu elektrycznego w elektrolicie
1.
Chemiczne źródła energii
elektrycznej
• Ogniwa:
- Ogniwo Volty
- Ogniwo Leclanchego
• Akumulatory
2. Przepływ prądu elektrycznego przez
gazy
Podstawowe wiadomości o ogniwach galwanicznych
W 1786 r. włoski lekarz i przyrodnik, Luigi Galvani, zaobserwował zjawisko,
które doprowadziło w następnych latach do wynalezienia urządzenia, które do dziś
nosi nazwę ogniwa galwanicznego.
Pierwsze ogniwo skonstruował inny włoski uczony, Alessandro Volta, w roku 1800.
W ogniwie galwanicznym energia chemiczna układu reagentów jest zamieniana
na energię elektryczną.
Reakcja utleniania-redukcji, która polega na przeniesieniu elektronów
pomiędzy indywiduami chemicznymi, jest w ogniwie rozdzielona na dwie
reakcje połówkowe - zachodzące równocześnie (zasada zachowania
ładunku), ale w różnych miejscach układu. Elektrony przepływają przez
zewnętrzny obwód elektryczny, a ich ładunek jest równoważony w układzie
przez przepływ jonów ujemnych (anionów) w roztworze elektrolitu.
Alessandro Volta (1745-1827)
-fizyk włoski, wynalazca, konstruktor i fizjolog
-wynalazł m.in. elektrofor (1775), kondensator
(1782) i ogniwo złożone z elektrod srebrnej i
cynkowej oraz wody morskiej jako elektrolitu
(była to pierwsza bateria elektryczna tzw.
OGNIWO VOLTY, 1800)
- badał też wpływ elektryczności na organizmy
żywe. Odkrył gaz błotny, czyli metan (1776) i
oznaczył jego wartość opałową. Na jego cześć
jednostkę napięcia elektrycznego nazwano
woltem.
„W naczyniu wypełnionym wodą zakwaszoną kwasem siarkowym (VI)
umieszczam dwie płytki: miedzianą i cynkową, połączone z miernikiem
elektrycznym. Po kilku sekundach miernik pokazuje napięcie ok. 1.05V. Na
elektrodzie miedzianej powstają drobne pęcherzyki gazu.”
OGNIWO VOLTY
Ogniwo Volty można przedstawić schematycznie jak na rysunku poniżej:
Składa się ono z dwóch płytek, wykonanych z różnych metali, zanurzonych w roztworze
elektrolitu. Rozważmy typowy przykład: w roztworze kwasu siarkowego (VI) zanurzone
są płytki cynkowa i miedziana. Ponieważ z rozcieńczonym roztworem takiego kwasu
reaguje tylko cynk, płytka z tego metalu pokrywa się szybko pęcherzykami wodoru,
wypływającymi ku górze. Na płytce miedzianej nie obserwuje się żadnych przejawów
reakcji chemicznej. Tak więc, w układzie zachodzi reakcja cynku z kwasem, według
równania:
Płytka Zn(-) katoda
Płytka Cu(+)anoda
Elektrony są przekazywane bezpośrednio przez atomy cynku do jonów wodorowych, które po
zobojętnieniu do atomów, na powierzchni metalu łączą się w cząsteczki, a następnie
w pęcherzyki gazu.
Sytuacja ulega radykalnej zmianie, gdy obie blaszki zostaną połączone
przewodnikiem elektrycznym na zewnątrz układu:
Przedstawiony schematycznie miernik
elektryczny (amperomierz) wskazuje przepływ
prądu. Blaszka cynkowa staje się biegunem
ujemnym, a miedziowa dodatnim. Ponadto, na
blaszce miedziowej pojawiają się pęcherzyki
gazowego wodoru, kosztem znacznego
ograniczenia ilości gazu wydzielającego się na
powierzchni blaszki cynkowej
Dzięki różnicy potencjałów, powstającej pomiędzy płytkami
zanurzonymi w roztworze, elektrony przepływają od blaszki cynkowej elektrody ujemnej, do blaszki miedzianej - elektrody dodatniej. układu,
zawierającą płytkę metalową i jej najbliższe otoczenie nazywa się półogniwem
lub, po prostu, elektrodą.
Kolejnym krokiem, w celu udoskonalenia ogniwa wytwarzającego prąd, było
wyeliminowanie pewnej niedogodności, która ujawniała się po pewnym czasie
użytkowania ogniwa. Niedogodnością tą było zbieranie się na elektrodzie
miedzianej pęcherzyków wodoru, które zmniejszały jego reagującą
powierzchnię. Równocześnie wytrącał się osad siarczanu cynku na płytce
cynkowej. Powodowało to stały wzrost oporu wewnętrznego ogniwa i
zmniejszenie napięcia na jego biegunach. Rozwiązaniem tego problemu zajął
się francuski chemik Georges Leclanché.
Georges Leclanché (1839-1882),
chemik francuski, wynalazł
ogniwo galwaniczne węglowocynkowe, zwane suchym
ogniwem Leclanchégo.
Zastąpił on miedzianą płytkę pręcikiem grafitowym, pozostawiając cynk jako
biegun ujemny. Jako elektrolitu użył stężonego roztworu chlorku amonu, a w
celu depolaryzacji pokrywającej się wodorem elektrody węglowej, umieścił ją w
płóciennym woreczku, wypełnionym dwutlenkiem manganu z domieszką
grafitu. Dwutlenek manganu utleniał wodór do wody, która nie zatrzymywała
jonów wodorowych. Mechanizm procesów zachodzących na anodzie nie został
do końca wyjaśniony.
Elektroda Grafitowa
Płócienny woreczek
Dwutlenek manganu
KATODA
W OGNIWIE
LECLANCHEGO
„Przygotowaną elektrodę dodatnią umieszczam razem z płytką cynkową w stężonym
roztworze chlorku amonu. Zamykam obwód elektryczny podłączając elektrody do
miernika elektrycznego. Miernik wskazuje napięcie 1.27V.”
Na anodzie przechodzą do roztworu jony cynkowe, po czym łączą się z
anionami chlorkowymi i amoniakiem:
A (-)
Zn → Zn2+ + 2e2 NH4Cl + Zn2+ → Zn(NH3)2Cl2 + 2 H+
Na grafitowej katodzie następuje proces elektronacji protonów, a powstały w
wyniku reakcji wodór łączy się z tlenkiem manganu (IV) tworząc między
innymi wodorotlenek manganu(III):
K (+)
2 H+ + 2MnO2 + 2e- → 2 MnO(OH)
Ogniwo Leclanchego
zmodyfikował jago brat i syn,
zastępując roztwór chlorku
amonowego trocinami
nasączonymi tym związkiem, a
cynkową płytkę, cylinderkiem z
tego metalu. Powstałe po
modyfikacjach ogniwo było
podobne do dzisiejszych baterii
typu UM-2
Akumulatory
•
-
Rodzaj ogniwa
Ładowanie - zamiana energii elektrycznej w energię chemiczną
► w samochodzie za pomocą prądnicy uruchamianej przez silnik
samochodowy
►energii elektrycznej z sieci- z wykorzystaniem prostownika)
-
Eksploatacja (praca akumulatora) – zamiana energii chemicznej w
energię elektryczną
•
Budowa
np. akumulator samochodowy – płyty ołowiane zanurzone w wodnym
roztworze stężonego kwasu siarkowego (VI)
Przepływ prądu elektycznego
przez gazy
Prąd elektryczny może przepływać przez gazy gdy są one zjonizowane
Czynniki jonizujące:
• wysoka temperatura
• promieniowanie kosmiczne
• promieniowanie rentgenowskie
• promieniowanie radioaktywne
• wysokie napięcie (wywołuje przeskok iskry – pioruny w czasie burzy)
Co wiemy po dzisiejszej lekcji?
• jakie są chemiczne źródła energii elektrycznej
• jak zbudować ogniwo i baterię ogniw
•
jaka jest budowa ogniwa, baterii ogniw, akumulatora
• jakie przemiany energii zachodzą w ogniwie