ogniwa-i-akumulatory.doc

(104 KB) Pobierz

OGNIWO DANIELL’A by Marta Matula II C

Układ złożony z dwóch elektrod nazywamy ogniwem galwanicznym lub krótko ogniwem. W elektrochemii budowę ogniwa przedstawia się za pomocą schematu, który dla ogniwa Daniella jest następujący:

(–) Zn | Zn SO 4 || CuSO4 | Cu (+)

Znaki (–) i ( + ) oznaczają odpowiednio elektrodę ujemną i dodatnią ogniwa. Kreska pionowa | oznacza granicę faz, zaś znak || oznacza obecność tzw. klucza elektrolitycznego, wstawianego do ogniwa celem eliminacji potencjału dyfuzyjnego, występującego na granicy dwóch roztworów. Według konwencji sztokholmskiej siła elektromotoryczna ogniwa jest równa, co do wielkości i co do znaku, potencjałowi elektrycznemu prawego przewodnika metalicznego, gdy - przy otwartym ogniwie - potencjał elektryczny takiego samego przewodnika po stronie lewej wynosi umowne zero.

W ogniwie Daniella reakcje elektrodowe są następujące:

(+) : Cu 2+ + 2e- = Cu

(–): Zn = Zn 2+ + 2e-

Ich suma daje reakcję elektrochemiczną ogniwa:

Cu 2+ + Zn = Zn 2+ + Cu

Źródło:

-Wikipedia.pl

-Encyklopedia PWN

Akumulatory by Marta Matula II C

Akumulator kwasowo-ołowiowy (akumulator Plantego) – w którym elektrolitem jest roztwór kwasu siarkowego, katoda wykonana jest z ołowiu (z dodatkami), w formie siatki, zaś anoda jest wykonana z tlenku ołowiu(IV) PbO2 immobilizowanego na ramce ołowianej – tego rodzaju akumulatory są masowo wykorzystywane w samochodach. Zaletą akumulatora ołowiowego jest zdolność rozładowania dużym prądem przez krótki czas, prostota układu ładowania, niska cena w stosunku do pojemności. Wadą jest znaczna masa przypadająca na jednostkę pojemności.

Akumulator NiCd – zwany też wtórną baterią alkaliczną – w której elektrody są wykonane z wodorotlenku niklu i wodorotlenku kadmu, zaś elektrolitem są półpłynne lub stałe substancje o różnym składzie chemicznym u różnych producentów, ale zawsze posiadającym silnie zasadowy (inaczej alkaliczny) odczyn.

Akumulator NiMH – ulepszona odmiana akumulatorów NiCd, w których jedna z elektrod jest wykonana z niklu, zaś druga elektroda ze spieku metali ziem rzadkich w atmosferze wodoru. Rolę klucza elektrolitycznego spełnia gąbczasta struktura nasączona substancjami alkalicznymi oraz złożonym chemicznie katalizatorem. System elektrochemiczny jest zdolny do absorpcji wydzielających się podczas ładowania gazów, szczególnie wodoru, dzięki czemu akumulator może być całkowicie szczelny i charakteryzować się długą żywotnością.

Akumulator Li-ion – w których jedna z elektrod jest wykonana z porowatego węgla a druga z tlenków metali, zaś rolę elektrolitu pełnią złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników.

Akumulator litowo-polimerowy – odmiana akumulatorów Li-ion, w których ciekły elektrolit jest zastąpiony stałym elektrolitem polimerowym wykonanym z np. gąbek na bazie poliakrylonitrylu.

Sprawność akumulatora, czyli stosunek energii oddanej podczas pracy do energii włożonej do akumulatora w procesie ładowania, jest zawsze mniejsza od jedności. W większości akumulatorów sprawność jest rzędu 60%.

Źródło:

-Encyklopedia PWN

Akumulatory Litowo-Jonowe

Akumulatory Litowo-Jonowe to stosunkowo nowy wynalazek. Ich działanie opiera się głównie na zmianie stopnia utlenienia Litu, który pełni tu rolę katody.

Najczęściej stosowanym jako anoda materiałem jest Grafit lub inne materiały węglowe. Reakcje zachodzące w akumulatorze przedstawia równanie:

xLi+ + 6C + xe- <===> LixC6

Równanie to jest napisane właśnie dla akumulatora z anodą grafitową dla której x=1

ale wartość ta zmienia się w zależności od materiału zastosowanego w anodzie.

Jak widać proces ten jest odwracalny dlatego jeśli szczałka będzie wskazywała w lewo to otrzymamy reakcje rozładowywania, natomiast jeśli w prawo to ładowania.

Proces ten przebiega dzięki interkalowaniu Litu w Graficie, czyli „wnikaniu” atomów Litu w przestrzenie między warstwami struktur Grafitu. Proces ten nie powoduje większych zmian w strukturze Grafitu dzięki czemu akumulatory te cechują się dużą żywotnością.

Istnieje kilka rodzajów akumulatorów Litowo-Jonowych lecz wszystkie działają na bardzo zbliżonych zasadach. Jedyne co się zmienia to materiał z którego zrobiona jest anoda (np. MnO2, CoO2, NiO2, MoO2, TiO2).

Jakub Stolarski IIc

Akumulator kwasowo-ołowiowy

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. Oprócz tego stanowi często jeden z elementów awaryjnego zasilania budynków, zakładów przemysłowych, szpitali, centrali telefonicznych i polowych systemów oświetleniowych.

Konstrukcja i działanie

Typowy akumulator samochodowy jest zbudowany z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych połączonych szeregowo. Każde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną 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

$\mbox{Pb} (s) +\mbox{SO}_{4}^{2-} (aq) \leftrightarrow \mbox{PbSO}_{4} (s) +2e^- \quad\epsilon^o = 0,356 V$

katoda - redukcja

$\mbox{PbO}_{2} (s) +\mbox{SO}_{4}^{2-} (aq) +4\mbox{H}^++2e^- \leftrightarrow \mbox{PbSO}_{4} (s) +2\mbox{H}_2\mbox{O} (l) \quad\epsilon^o = 1,685 V$

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 ołowiu (IV) (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.

Akumulatory tzw. "bezobsługowe" i "żelowe"

Wadą akumulatorów ołowiowych jest ryzyko wycieku z nich kwasu siarkowego oraz parowanie wody powodujące zbyt duże jego stężenie w elektrolicie. Oba kłopoty rozwiązuje się stosując albo bardzo szczelne, nierozbieralne obudowy i/lub stosując elektrolity żelowe. Elektrolity żelowe są nadal wodnymi roztworami kwasu siarkowego, jednak dodaje się do nich środka żelującego (np. żywice silikonowe), który jednocześnie zapobiega parowaniu wody i wyciekom. Oba typy akumulatorów - uszczelnione i żelowe nazywa się "bezobsługowymi" - gdyż w zasadzie nie wymagają one kontrolowania składu i ilości elektrolitu.

Żadna forma elektrolitu nie zapobiega jednak problemom wynikającym z częstego rozładowywania akumulatora. Ładowanie akumulatorów "bezobsługowych" jest przeprowadzane w ten sam sposób jak "obsługowych", nie należy tylko dokonywać w nich samodzielnego uzupełniania elektrolitu.

Obudowy akumulatorów nie są nigdy absolutnie szczelne, bo powodowałoby to niebezpieczeństwo wybuchu na skutek dużego wzrostu ciśnienia we wnętrzu w efekcie wydzielania wodoru w trakcie jego przeładowywania.

Bibliografia:

http://pl.wikipedia.org/wiki/Akumulator_kwasowo-o%C5%82owiowy

Ogniwo Volty

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.
Najprostsze w budowie jest historyczne ogniwo Volty. 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:

Zachowanie układu przedstawia schematyczny rysunek:

Elektrony są przekazywane bezpośrodnio 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. Co zatem zmieniło się w układzie po połączeniu blaszek przewodnikiem?
Otóż, różnica energii elektronów w obu blaszkach, stykających się z roztworem elektrolitu, powoduje, że elektrony przepływają od blaszki cynkowej do miedzianej, na powierzchni której zobojętniają jony wodorowe. Zatem reakcja zachodząca w roztworze nie ulega zmianie - przynajmniej w zapisie sumarycznym. Jednak procesy połówkowe - utlenianie atomów cynku (oddawanie elektronów) i redukcja jonów wodorowych (przyjmowanie elektronów) - zachodzą w różnych miejscach (czerwona strzałka obrazuje przeniesienie elektronów przez zewnętrzny obwód):

Dzięki różnicy potencjałów, powstającej pomiędzy płytkami zanurzonymi w roztworze, elektrony przepływają od blaszki cynkowej - elektrody ujemnej, do blaszki miedzianej - elektrody dodatniej. Zgodnie z nazewnictwem, wywodzącym się od XIX wiecznego uczonego brytyjskiego, Michaela Faradaya, elektrodę, na której zachodzi utlenianie (ujemną), nazywa się anodą, a elektrodę, na której zachodzi redukcja (dodatnią) - katodą*. Jest to więc oznaczenie biegunowości przeciwne, do spotykanego np. w elektronice, czy w procesach elektrolizy. Część układu, zawierającą płytkę metalową i jej najbliższe otoczenie nazywa się półogniwem lub, po prostu, elektrodą.

* - z greckiego: ana - "na(d)", "w górę"; kata - "pod", "w dół"; hodós - "ścieżka", "droga" (W. Kopaliński, Słownik wyrazów obcych i zwrotów obcojęzycznych, Wiedza Powszechna, Warszawa 1989)

Ogniwo Volty było używane jako praktyczne źródło prądu elektrycznego. Jego użycie umożliwiło dalsze odkrycia - m. in. wydzielenie drogą elektrolizy metali takich jak sód i potas. Obecnie różne odmiany takich ogniw, np. ogniwo Leclanchego, stosuje się na co dzień, jako tzw. baterie (choć tak naprawdę, bateria to układ wielu ogniw, połączonych zazwyczaj szeregowo). Są to tzw. ogniwa suche, w których roztwór elektrolitu ma postać żelu lub pasty, a całość zamknięta jest w szczelnej obudowie. Wydzielający się wodór jest pochłaniany przez tzw. depolaryzator, np. ditlenek manganu. Katodę wykonuje się często z grafitu, który wystarczająco dobrze przewodzi prąd elektryczny, nie reaguje przy tym z roztworem elektrolitu. Podobna jest też zasada działania i budowa różnego typu akumulatorów. Reakcje elektrodowe są w nich jednak odwracalne - po zużyciu substratów przepuszcza się przez ogniwo prąd elektryczny z zewnętrznego źródła, a zachodzące na elektrodach reakcje odtwarzają zużyte reagenty.
Ogniwa Volty są trudne w opisie teoretycznym. Obie elektrody mają kontakt z tym samym elektrolitem, produkty reakcji zmieniają skład elektrolitu i mają kontakt z obiema elektrodami. Trudno również obliczyć siłę elektromotoryczną, czyli napięcie pomiędzy elektrodami, mierzone w tzw. warunkach bezprądowych. Dlatego w elektrochemii konstruuje się inne typy ogniw, łatwiejsze w opisie teoretycznym, choć nie nadające się raczej na praktyczne źródła prądu. Są one stosowane jako wzorcowe źródła napięcia, służą też do pomiaru stężeń jonów, np. w miernikach pH.

Źródło http://mwalnik.wodip.opole.pl/chemia/elektro/ogniwa.html

Akumulator

Akumulator kwasowo–ołowiowy

W 1859 roku, 25 letni inżynier francuski, Gastone Plante, skonstruował w pełni użyteczny szeroko stosowany do tej pory, akumulator ołowiowy zwany także kwasowym lub ołowiowo-kwasowym. Akumulator ten zawiera elektrodę ujemną - anodę wykonaną z ołowiu metalicznego oraz elektrodę dodatnią – katodę z dwutlenku ołowiu (PbO2) osadzonego na ołowiu metalicznym. Elektrolit stanowi około 30% wodny roztwór kwasu siarkowego(VI).

Na elektrodzie ujemnej zachodzi proces:

Pb + SO42- PbSO4 + 2 e

Procesy przebiegające na elektrodzie dodatniej są interpretowane na kilka sposobów. W ogólnym ujęciu polegają one na redukcji Pb(IV) do Pb(II) według reakcji przedstawionej sumarycznym równaniem:

PbO2 + 4 H+ + SO42- + 2 e PbSO4(s) + 2 H2O