Кіріспе

Электрохимиялық құрылғы
Гальванилік немесе вольтикалық жасуша – тиісінше Луиджи Гальвани және Алессандро Вольта ғалымдарының есімімен аталған, спонтанды окистену-тотығу реакцияларынан электр тогы туындайтын электрохимиялық жасуша. Көбінесе қолданылатын құрал әдетте екі түрлі металдан тұрады, олардың әрқайсысы өз металл иондарының ерітіндісі бар бөлек ыдыстарға батырылады және тұздық көпірмен байланыстырылады немесе кезеңді мембранамен бөлінеді. Вольта алғашқы электр батареясын – вольтикалық батареяны ойлап тапқан. «Батарея» сөзінің қазіргі қолданылуы бір Гальванилік жасушаны да қамтиды, бірақ алғашқы батареялар көптеген Гальванилік жасушалардан құралған.

Тарих

1780 жылы Луиджи Гальвани екі түрлі металлдың (мысалы, мыс пен мырыш) жанасқанда, содан кейін екеуі де жабық тізбек үшін бақаның аяғының бұлшық еттерінің екі бөлігіне бірдей тигенде, бақаның аяғы жиырылатынын анықтады. Ол бұл құбылысты "жануарлар электрлігі" деп атады. Бақаның аяғы электр тогын анықтаушы құрал болғанмен, сонымен қатар электролит те болатын (қазіргі химия тілімен айтқанда). Гальвани өз жұмысын жариялағаннан кейін бір жыл өткен соң (1790), Алессандро Вольта бақаның қажет емес екенін көрсетті, оның орнына күшке негіделген детекторды және тұздыққа сіңген қағазды (электролит ретінде) пайдаланды. (Бұрын Вольта күшке негіделген детекторлармен сыйымдылық заңын орнатып алған еді). 1799 жылы Вольта вольттік тіреуді ойлап тапты, ол әрқайсысы металл дискіден, электролит қабатынан және басқа металл дискісінен тұратын гальваникалық элементтердің тірегі. Ол оны толыққанды биологиялық емес материалдан жасап, Гальванидің (кейінірек тәжірибе жасаған Леопольдо Нобилидің) жануарлар электрлігі теориясын өзінің металл-металл жанасуынан туындайтын электрлік теориясымен күреске салды. Карло Маттеуччи өз кезегінде Вольтаға қарсы жауап ретінде толыққанды биологиялық материалдан жасалған аккумуляторды құрастырды. Вольтаның жанасу электрлігіне қатысты көзқарасы әр электродты біз қазір электродтың жұмыс функциясы дейтін санмен сипаттады. Бұл көзқарас электрод-электролит интерфейсіндегі химиялық реакцияларды ескермеді, оның ішінде Вольтаның тірегіндегі асыл металлдың H2 түзетінін де. Вольта батареяның немесе гальваникалық элементтің жұмыс істеу принципін түсінбесе де, оның жаңалықтары электр батареяларының дамуына жол ашты; Вольтаның элементі 1999 жылы IEEE Milestone атағын алды. Қырық жылдан кейін Фарадей (Фарадейдің электролиз заңдарын қараңыз) гальваникалық элементтің – қазір көбінесе вольттік элемент деп аталатынын – химиялық табиғаты бар екенін көрсетті. Фарадей химия терминологиясына жаңа түсініктер енгізді: электрод (катод және анод), электролит және ион (катион және анион). Осылайша Гальвани электр энергиясының көзін (немесе электр қозғалтқыш күшінің (ЭҚК) көзін немесе ЭҚК орнын) жануарда деп жаңылысты, Вольта оны оқшауланған электродтардың физикалық қасиеттерінде деп жаңылысты, ал Фарадей ЭҚК көзін екі электродтың электролит интерфейсіндегі химиялық реакциялар ретінде дұрыс анықтады. Вольттік элементтің тарихи-интеллектуалдық тарихы бойынша салмақты еңбек Оствальдқа тиесілі. 1940 жылы Вильгельм Кёниг Бағдат батареясы деп белгілі нысан ежелгі Парфияның гальваникалық элемент технологиясын көрсететін болса мүмкін деген болжам жасады. Лимон қышқылы немесе жүзім шырынымен толтырылған көшірмелері кернеуді тудырады. Алайда оның осы мақсатта қолданылғаны әлі де нақты емес. Басқа ғалымдар оның пергаменттік жазбаларды сақтау үшін қолданылған ыдыстарға өте ұқсас екенін көрсетті.

Негізгі қағидалар

Гальваникалық жасушалар – спонтанды тотығу-тоғыдану реакцияларының кеңейтілген түрі, бірақ олар осы реакциядан алынатын энергияны пайдалану үшін ғана жасалған. Толық жасуша екі жарты жасушадан тұрады, олар әдетте жартылай өткізгіш мембранамен немесе екінші электродта құнды металл иондарының тұрып қалуына кедері келтіретін тұздық көпірмен байланысады. Бұл электрондар сыртқы тізбек арқылы катодқа (оң электродқа) ағылады (электролиз кезінде электр тогы электрон ағынын кері бағытта қозғайды және анод оң электрод болады). Катод – электронды қабылдау (тоғыдану) процесі жүретін электрод (металл B электроды); гальваникалық жасушада ол оң электрод болып табылады, себебі иондар электродтан электрондарды қабылдап, металл тұрып қалу арқылы тоғыданады (электролиз кезінде катод теріс терминал болып табылады және ерітіндіден оң иондарды тартады). Екі жағдайда да «катод катиондарды тартады» деген мәлімдеме дұрыс. Гальваникалық жасушалар өзінің табиғаты бойынша тұрақты ток тудырады. Вестон жасушасының аноды кадмий-сызықтан жасалған амальгамадан, катоды таза сызықтан тұрады. Электролит – кадмий сульфатының (қаныққан) ерітіндісі. Деполяризатор – сызықтың сульфатының пастасы. Электролит ерітіндісі қаныққан кезде жасушаның кернеуі өте тұрақты болады; сондықтан 1911 жылы ол кернеудің халықаралық стандарты ретінде қабылданды. Аккумулятор – бір-бірімен байланысқан гальваникалық жасушалардың жиынтығы, олар кернеудің бір көзін құрайды. Мысалы, әдеттегі 12 В қорғасын-қышқыл аккумуляторында 6 гальваникалық жасуша қатар байланысқан, олардың анодтары қорғасыннан, катодтары қорғасын диоксидінен жасалған және олар күкірт қышқылына батырылған. Ірі аккумуляторлық бөлмелер, мысалы, телефон станциясында пайдаланушылардың телефондарына орталық кеңсе қуатын жеткізетін жерлерде, жасушалар қатар және параллель қосылған болуы мүмкін.

Гальваникалық коррозия

Гальваникалық коррозия – металдардың электрохимиялық тозуы. Коррозия әртүрлі екі металл электролиттердің (мысалы, тұзды су) қатысуымен бір-бірімен жанасқанда пайда болады. Бұл гальваникалық элементті құрайды, сонда асыл (кем реакциялық) металл бетінде сутек газы түзіледі. Нәтижесінде туындайтын электрохимиялық потенциал электр тогын дамытады, ол кем асыл материалды электролиттік жолмен ерітеді. Егер бір металл электролиттің екі түрлі концентрациясына ұшыраса, концентрациялық элемент пайда болады.