Гальванический элемент алюминий медь

В.Н. Витер, А.В. Зубко

В прошлом номере описан гальванический элемент с электродом из алюминия [1]. Роль электролита играл сок фруктов или овощей, который имел кислую реакцию. В кислой среде алюминий вел себя, как металл более пассивный (более электроположительный), чем цинк и железо. Разница потенциалов между электродами из меди и алюминия составляла 0.4-0.5 В, а в случае пары медь — цинк она была раза в два выше. — И это несмотря на то, что алюминий стоит в ряду напряжений левее цинка и железа, т.е. он должен быть более активным металлом.

Дело в том, что алюминий покрыт прочной пленкой оксида, которая препятствует переходу катионов металла в раствор — в результате алюминий ведет себя, как более пассивный металл. Однако в растворе щелочи (например: едкий натр, едкое кали) оксидная пленка алюминия легко растворяется и металл начинает реагировать с водой с выделением водорода, что демонстрирует истинную — высокую — активность алюминия.

Интересно было бы посмотреть, как ведет себя гальванический элемент с электродами из меди и алюминия, которые опущены в раствор щелочи (т.е. когда в качестве электролита выступает щелочь).

Налил в стакан дистиллированную воду и стал добавлять в нее гранулы едкого кали — небольшими порциями, при перемешивании и по мере растворения предыдущих порций. Заодно поместил в стакан термометр — чтобы наблюдать за повышением температуры в процессе растворения едкого кали. При растворении гидроксидов натрия и калия в воде выделяется много тепла, в результате раствор может достаточно сильно нагреться.

Под конец раствор нагрелся до 50°С. После добавления очередной порции едкого кали растворение щелочи замедлилось — раствор стал близок к насыщенному. Приступил к опыту.

__________________________________________________
1 Гальванический элемент ч.5. Фруктовая батарейка (алюминий) [ссылка]

Электродами служили медная и алюминиевая проволоки, подключенные к тестеру. Для удобства оба электрода были примотаны изолентой к деревянной прищепке. Я имел неосторожность прикоснуться к прищепке влажной рукой, на которую раствор щелочи. Этого оказалось достаточно, чтобы запустить гальванический элемент: дерево пропиталось раствором щелочи, причем смоченное место одновременно соприкасалось с медью и алюминием. В результате тестер показал потенциал около 50 мВ (0.05 В) — еще до того, как я опустил электроды в щелочь.

Когда опустил электроды, потенциал в первые секунды был около 1200—1300 мВ (1.2-1.3 В), причем он быстро стал падать. Померил силу тока — 57 мА (0.057 А), ток также быстро падал: секунд за 20 ток упал ниже 10 мА (0.01 А). Снова переключил тестер на измерение напряжения: сначала напряжение было около 400 мВ, потом поднялось до 900. Таким образом, напряжение (и ток) нашего элемента были довольно значительны, но они быстро падают со временем, когда цепь замкнута (а именно, когда к гальваническому элементу подключен тестер, переключенный в режим измерения силы тока, а не напряжения [2].).

В процессе работы алюминий довольно активно реагировал со щелочью — с выделением водорода. Если цепь разомкнуть, но оставить электроды в растворе, алюминий, разумеется, не перестанет реагировать со щелочью, поэтому для прекращения работы гальванического элемента я поднял электроды из раствора. Через минуту снова опустил — чтобы посмотреть, какой будет потенциал. Оказалось, что потенциал стабилизировался на уровне около 900 мВ (0.9 В).
__________________________________________________
2 Я совсем не специалист в электротехнике, но коллега объяснил, что при измерении напряжения гальванического элемента с помощью тестера потенциал измеряемого гальванического элемента компенсируется направленным ему навстречу потенциалом батарейки тестера, в результате суммарный ток минимален (ресурс гальванического элемента "не расходуется"). В случае измерения силы тока с помощью тестера, ток в цепи максимален (что сильно "садит" исследуемый гальванический элемент) [K1].

Тестер — это, конечно, хорошо, но хотелось подключить к гальваническому элементу какой-то устройство, работающее от электрического тока. Например, светодиод. У коллеги оказалось сразу несколько красных светодиодов средних размеров. Но какое нужно минимально напряжение, чтобы светодиод мог светиться? Коллега сказал, что вольта два. Решили проверить: коллега подключил диод к блоку питания с регулируемым напряжением. Поднимаем напряжение — ноль эффекта. Коллега вспомнил, что светодиод — это диод (простите за каламбур), а диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Этим светодиод отличается от электрической лампы накаливания. Поменяли полярность — диод загорелся.

Оказалось, что минимальное необходимое напряжение — около 1.7 В, а при 2 В диод горит гораздо ярче. Коллега загнул положительный контакт светодиода, чтобы он отличался от отрицательного. К положительному контакту светодиода следует подключить медный электрод гальванического элемента (+), к отрицательному контакту — алюминиевый (-) электрод.

Если минимальное напряжение — 1.7 В, то одного гальванического элемента медь — алюминий — щелочь явно мало. Нужно, как минимум, два. Взял бюкс, перелил в него часть раствора едкого кали со стакана, опустил в бюкс еще одну медную и одну алюминиевую проволоку. Получилось два гальванических элемента, соединил их последовательно — см. рисунок. Подключил светодиод (соблюдая полярность!)

В бюксе электроды опущены в электролит (щелочь), в стакане — подняты над поверхностью раствора — таким образом, цепь разомкнута. Чтобы замкнуть цепь, нужно опустить электроды в стакан с едким кали, а чтобы разомкнуть цепь, достаточно поднять электроды из стакана. Единственное, алюминий в бюксе постоянно опущен в раствор щелочи — и он будет реагировать: даже тогда, когда цепь разомкнута — так что время не ждет.

Опустил электроды в стакан, — замкнув цепь из двух гальванических элементов и одного светодиода. Светодиод загорелся. Сначала более ярко, потом — более тускло. Чтобы заснять свечение на видео, пришлось погасить свет в лаборатории (сначала — частично, потом — полностью).

После съемки свечения отсоединил светодиод, подключил тестер. Оказалось, что напряжение двух соединенных последовательно гальванических элементов около 1.8 В. — Не удивительно, почему диод светил тускло. С другой стороны, напряжение в 1.8 В ровно в два раза выше, чем напряжение единичного гальванического элемента медь — цинк — щелочь в прошлом опыте (0.9 В).

К1 Вероятно, разные типы таких приборов имеют разный метод измерения напряжения. Вообще говоря, компенсационный метод не самый распространенный. Скорее всего, рядовые тестеры имеют простой высокоомный вход с операционным усилителем. Входное сопротивление и емкость прибора должны быть указаны в инструкции к нему, иногда — и на его корпусе. Для большинства тестеров в режиме вольтметра оно составляет 1-2 МОм(1-2·10 6 Ом) при емкости несколько десятков пФ. Таким образом, при напряжении гальванического элемента порядка 1 В в измерительной цепи будет протекать ток порядка 1 мкА.

К1-1 Утверждение, что потенциал измеряемого гальванического элемента компенсируется направленным ему навстречу потенциалом батарейки тестера, не соответствует действительности. Просто тестер в режиме измерения напряжения имеет очень высокое входное сопротивление, а значит — малый ток. Кроме того, ток элемента падает по причине поляризации.

Второе задание
Е°(Fe (2+)/Fe) = − 0,441 В
Е°(Al (3+)/Al) = − 1,70 В
Е°(Cr (3+)/Cr) = − 0,744 В
Е°(Cd (2+)/Cd) = − 0,404 B
Е°(Ag (+)/Ag) = + 0,799 В
В качестве протектора железа можно использовать только тот металл, который имеет меньший электродный потенциал восстановления, чем железо. Металл, стоящий в электрохимическом ряду напряжений левее железа, имеет меньший электродный потенциал восстановления, чем железо, поэтому может служить протектором железа. Протекторами могут быть алюминий и хром.
Е°(Ag (+)/Ag) > Е°(Cd (2+)/Cd) > Е°(Fe (2+)/Fe) > Е°(Cr (3+)/Cr) > Е°(Al (3+)/Al)

Электрохимическая коррозии в гальванической паре Fe – Cr.
Хром как металл, имеющий меньший электродный потенциал, чем железо, в гальванической паре Fe – Cr будет анодом, а железо — катодом. Следовательно, в данной гальванической паре хром будет разрушаться (корродировать) .
Процессы окисления-восстановления на электродах.
Анод (-) Cr (0) — 3е → Cr (3+) │4 — процесс окисления на аноде
Катод (+) 2H2O + О2 + 4e → 4OH (-) │3 — процесс восстановления на катоде
Суммируя реакции на аноде и катоде, получаем уравнение, которое в ионной форме, выражает происходящую в гальванической паре реакцию.
4Cr (0) + 6H2O + 3О2 → 4Cr (3+) + 12OH (-)
Уравнение электрохимической коррозии в молекулярной форме.
4Cr + 6H2O + 3О2 → 4Cr (ОН) 3↓
Схема гальванической пары
А (–) Cr | H2O + О2 | Fe К (+)

Самоделки из двигателя от стиральной машины:

1. Как подключить двигатель от старой стиральной машины через конденсатор или без него
2. Самодельный наждак из двигателя стиральной машинки
3. Самодельный генератор из двигателя от стиральной машины
4. Подключение и регулировка оборотов коллекторного двигателя от стиральной машины-автомат
5. Гончарный круг из стиральной машины
6. Токарный станок из стиральной машины автомат
7. Дровокол с двигателем от стиральной машины
8. Самодельная бетономешалка

Самодельный гальванический элемент для автономного питания

Элемент Вольта

Для питания и зарядки портативной электроники в тех местах, где нет электросети можно успешно использовать на ряду с другими источниками электроэнергии и простейшие химические источники тока, гальванические элементы.

Их использование возможно на дачах при долгосрочном проживании при отсутствии электросети,а также в отдалённых деревнях где или нет совсем электроэнергии, или постоянные перебои с электроснабжением. В советской России химические источники тока или гальванические элементы получили широкое распространение в радиолюбительской технике в середине прошлого столетия, так как эти источники просты в изготовлении и изготовляются из легкодоступных материалов.

Сейчас, когда портативная электроника стала очень экономична в плане электропотребления, её питание от самодельных химических источников тока может оказаться очень эффективным, так как такие источники тока с успехом применяли ещё на заре развития радиотехники. Тогда техника потребляла в разы больше электроэнергии чем современная аппаратура,а сейчас с развитием энергосберегающей светотехники. Например, светодиодной, на освещение тратится в 4-5 раз меньше электроэнергии, чем от потребления обычной лампочки. Также современные мобильные телефоны, КПК и другие гаджеты потребляют ни чуть не больше, а даже меньше, чем радиоаппаратура прошлых десятилетий.

Внимание!

В статье имеются орфографические и пунктуационные ошибки, т.к. материал взят с сайта http://soliaris2010.narod2.ru , и редактирование текста практически осталось как у оригинала. Не судите строго, пожалуйста.

ПРОСТЕЙШИЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, ЭЛЕМЕНТ ВОЛЬТА

Вольтов столб Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги.

В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.В 1865 году французский химик Ж.Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца (IV) MnO2 с угольным токоотводом.

Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia». Самый долгоживущий гальванический элемент — серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 г. Подключенный к ней звонок работает и по сей день.

Простейший медно-цинковый элемент состоит из двух электродов-пластин, погруженных в раствор электролита, при погружении в электролит между металлами возникает разница потенциалов. При погружении в раствор повареной соли медной пластины и цинковой возникает разница потенциалов примерно в 1 вольт, и один элемент независимо от размеров имеет напряжение в один вольт, а мощность такого элемента зависит от его размеров и площади пластин погруженных в электролит. Для получения более высокого напряжение эти элементы, как и зоводские батарейки соеденяют последовательно для получения нужного напряжения.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДНОЦИНКОВОГО ЭЛЕМЕНТА

Медно-цинковые источники тока. Производство этих химических источников тока началось еще в 1889 г. В настоящее время они выпускаются в небольших масштабах в виде элементов емкостью от 250 до 1000 А·ч. Гладкие цинковые пластины и пластины из смеси оксида меди, меди и связующего помещают в стеклянный или металлический сосуд с 20%-ным раствором NaОН. Элементы имеют напряжение 0,6-0,7 В и удельную энергию 25-30 Вт·ч/кг. К их достоинствам относится постоянство разрядного напряжения, очень малый саморазряд, безотказность в работе и невысокая цена. Применялись в системах сигнализации и связи на железных дорогах.

В реальных условиях энергоёмкость может сильно отличатся и зависит она от площади пластит, чистоты металлов и плотности электролита.Элемент собранный в литровой банке,с пластинами максимальной площади, двадцати процентным раствором соли в виде электролита, выдаёт напряжение от 0,6-1,1 вольта,10-20а/ч,но в таких элементах очень маленький разрядный ток маленький ,и ток замыкания может быть около 100-150мА/ч.,а чем меньше подсоединенный источник потребляет, тем больше медно-цинковый элемент может вырабатывать электроэнергии. Элемент собранный в литровой банке при токе разряда 50 мА/ч проработает от 200часов до 400часов и более и более,но со временем пластины окисляются и напряжение падает и в итоге элемент перестаёт работать. Для восстановления элемента надо заменить электролит и очистить пластины от окисления и элемент снова будет работать.

Процесс окисления зависит от разрядного тока чем он выше ,тем быстрее элемент выйдет из строя,но в среднем элемент в литровой банке до чистки и перезарядки ,при разрядном токе 50 мА/ч проработает около 3-4 месяца,а при разрядном токе в 2-5 мА/ч его хватит на год и более.Простого литрового элемента не хватит для питания даже простого миниатюрного радиоприемника,и для того чтобы получить нужные характеристики нужно собрать блок из нескольких элементов.

Сейчас в основном вся портативная электроника питается напряжением в 3,6-4,5 вольта ,и для того чтобы получить такие числа нужно соединить последовательно 4-5 таких элементов,если соединить 5 литровых элементов ,то получится примерно 3,5-4,8 вольта, и ёмкость возрастает до 40-50 А/ч,а ток разряда может достигать 400-600 мА/ч,следовательно такой источник легко справится с питанием маленького радиоприёмника или светодиодного фонарика, а также с зарядкой миниатюрных аккумуляторов телефонов в течении 10-30 часов. Но для питания мощных светодиодных фонарей и питания современных телефонов и КПК такого источники будет маловато.

ДЛЯ СТАБИЛЬНОГО ДОЛГОСРОЧНОГО АВТОНОМНОГО ПИТАНИЯ ПОРТАТИВНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

понадобится что-то побольше, например, элемент ёмкостью как на рисунке, объем 40-50 литров,для стабильного питания портативных комнатных светодиодных светильников и другой техники. Для изготовления такого химического источника электроэнергии на понадобятся: 5 медных пластин размерами 20×40, и 5 таких же цинковых, далее на каждую пластинку нужно припаять или запрессовать путём загибания уголка пластины вставить проводок и заплющить молотком.

После надо пластины через электронопроводящие прокладки (деревянный брусочек или пластмассовая трубка) закрепить между собой, потом опускаем их в ёмкости с электролитом, это или раствор поваренной соли или раствор нашатыря или раствор серной кислоты (авто электролит), после соединяем получившиеся батарейки последовательно, то есть медная пластина одного элемента через проводок соединяется с цинковой пластиной другого элемента. В итоге, с одной стороны получившегося блока остаётся пластина медная с проводком (+), а с другой цинковая (-). Чем больше площадь пластин и чем лучше электролит, тем выше эффективность такого источника тока.

САМОДЕЛЬНЫЙ МЕДНО-КУПОРОСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

В этой самодельной конструкции из-за недоступности чистого цинка,применён алюминиевый электрод,но э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,составляет 0,5 В, то есть одна банка даёт всего 0,5 вольт, из-за этого прибор состоит не из 4-х банок для напражения в 3,5-4 вольты,а из 6-ти,чтобы получить как минимум 3,6 вольт.

При испытании данного прибора не было никаких измерительных приборов, но как видно из фото ,прибор свободно обеспечивает свечение 12-ти светодиодов-ток потребления150-200мА, и заряжает мобильный телефон-ток потребления около 400мА.
При испытании элемент зарядил батарею телефона ёмкостью 750мА за 2,40 минут.

Примерные технические характеристики батареи элементов, состоящей из 6-ти банок, емкостью 0,33л.: 3,7 Вольт, ток замыкания около 500мА, ёмкость 25-30А/ч.

В ходе испытания батарея элементов стабильно проработала на одной столовой ложке купороса около 100 часов при токе разряда примерно 200мА/ч,сейчас прибор так-же работает, но сила тока значительно меньше и составляет около 80мА/ч,купарос практически истрачен,таким образом если посчитать ,то можно определить,сколько времени вообще элементы проработают на определённом количестве купороса, питая определенные приборы.

ПОРЯДОК ИЗГОТОВЛЕНИЯ

В ЭТОЙ КОНСТРУКЦИИ В КАЧЕСТВЕ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ИСПОЛЬЗОВАЛИСЬ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ (ПИВНЫЕ) И ДРУГИЕ ИЗДЕЛИЯ ИЗ АЛЮМИНИЯ.

ЕСЛИ БУДУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ, ТО ИХ НУЖНО ТЩАТЕЛЬНО ЗАЧИСТИТЬ ОТ ЗАЩИТНОГО ВНУТРЕННЕГО СЛОЯ И ВНЕШНИХ НАДПИСЕЙ, ТАК КАК ОНИ НЕ ПРОПУСКАЮТ ТОК.

Сначала внутренняя поверхность банки обмазывается вазелином или салом на расстоянии 3-4 сантиметра от верхнего края банки,это делается для того чтобы предупредить выползание кристаллов солей из сосуда элемента.

Далее из тонкого листа меди,или латуни или свинца изготавливается цилиндр по внутреннему диаметру и высоте банки.

Далее в цилиндре надо с одной стороны сделать двойные прорези на глубину 4-5 мм., и получившиеся скобки загнуть наружу,для того что-бы цилиндр висел на них, на горлышке банки, не доходя до дна банки на 5 см.,после изготовления припаять к нему медный провод,это и будет (+).

Далее изготавливается диафрагма,диафрагма изготавливается из картона ,делается цилиндр из картона по длине банки ,или короче банки на 5 см.,а потом к нему пришивается нитками картонное дно ,так что-бы не оставалось щелей,а места сшивки пропитываются горячим парафином чтобы герметизировать дно от вытекания жидкости.

Далее на цилиндр плотно наматывают несколько слоёв пергамента или газетной бумаги,предварительно вымоченного в солёном растворе,чтобы не оставалось воздушных прослоек,а после получившейся "стакан" плотно обшивается обёрнутой в несколько слоёв тканью ,для механической прочности.

Потом на верх диафрагмы наклеивают или пришивают кольцо ,чтобы стакан не проваливался,и места крепления обмазывают горячим парафином,в кольце делают отверстие, через которое в банку наливается вода и вставляется мешалка для помешивания купороса.

Потом в диафрагму надо налить раствор поваренной соли и оставить на несколько часов,правильно собранная диафрагма не должна подтекать ,а её поверхность должна быть всего-лишь влажной.далее по внутреннему диаметру диафрагмы изготавливается из листа цинка цилиндр к нему припаивается медный провод который будет служить (-),цинковый цилиндр должен свободно входить в диафрагму ,но при этом быть как можно ближе к её стенкам,то есть ближе к медному цилиндру,чтобы уменьшить внутренне сопротивление ,и соответственно повысить эффективность.

СБОРКА ЭЛЕМЕНТА.

В чистую банку ,если 0,5л.,насыпают столовую ложку медного купороса ,вставляют мешалку,а потом устанавливают диафрагму,наполненную раствором поваренной соли,после в то отверстие,которое для мешалки,в банку наливается вода ,а за тем вставляется в диафрагму цинковый цилиндр ,после сборки элемент полностью готов к работе,остаётся соединить элементы последовательно ,как обычные батарейки,и питать и заряжать приборы.

Применение пористой диафрагмы обусловлено разделением электролитов, тоесть разделением кристаллов купороса,и соляного раствора от смешивания,иначе купорос бурно вступает в реакцию и слишком быстро расходуется, даже когда элемент не используется,а через диафрагму расход купороса равномерен и экономичен,что обеспечивает долгую работу источника тока-гальванического элемента...

Удод за элементом заключается в периодической заправке купороса, смене электролита и очистке от окисления электродов. При потреблении тока около 600мА(сотовый телефон), батарея состоящая из 4-х пол-литровых элементов элементов проработает на одной заправке купороса(4 стол.л.) около месяца ,при условии использования его каждый день около 6 часов. .При падении мощности периодически мешалкой надо взбалтывать медный купорос.За время работы в течении месяца израсходуется около 100г.купороса, и 40г. цинка.

Примечание. Если заменить цинк на алюминий,то элементов надо не 4 или 5, а 6 или 7 ,соединенных последовательно,так как э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,и состовляет 0,4-0,6 V.