Гальванический элемент и его история развития

Введение

Электрохимическое устройство

Гальванический элемент или вольтаический элемент, названный в честь учёных Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта соответственно, представляет собой электрохимическую ячейку, в которой электрический ток генерируется за счёт спонтанных окислительно-восстановительных реакций. Типичная установка обычно состоит из двух различных металлов, каждый из которых погружён в отдельные стаканы, содержащие соответствующие ионы металла в растворе, соединённые солевым мостиком или разделённые пористой мембраной. Вольта был изобретателем вольтаического столба, первой электрической батареи. В современном употреблении слово "батарея" часто используется для обозначения одной гальванической ячейки, хотя первые батареи состояли из множества гальванических ячеек.

История

В 1780 году Луиджи Гальвани обнаружил, что при контакте двух различных металлов (например, меди и цинка), и последующем одновременном прикосновении к двум разным участкам мышцы лягушачьей лапки для замыкания цепи, происходит сокращение мышцы. Он назвал это явление «животным электричеством». Лягушачья лапка, помимо функции детектора электрического тока, являлась также электролитом (используя терминологию современной химии). Год спустя после публикации работы Гальвани (1790), Алессандро Вольта показал, что лягушка не является необходимой, используя вместо неё прибор, основанный на измерении силы, и бумагу, пропитанную рассолом (в качестве электролита). (Ранее Вольта установил закон ёмкости, используя приборы, основанные на измерении силы). В 1799 году Вольта изобрел вольтов столб, представляющий собой стопку гальванических элементов, каждый из которых состоит из металлического диска, слоя электролита и диска из другого металла. Он построил его полностью из небиологических материалов, чтобы опровергнуть теорию «животного электричества» Гальвани (и более позднего экспериментатора Леопольдо Нобили) в пользу своей теории электричества, возникающего при контакте металлов. Карло Маттеуччи, в свою очередь, создал батарею, полностью состоящую из биологических материалов, в ответ на работы Вольты. Вольта рассматривал каждый электрод как обладающий числовой характеристикой, которую мы сегодня называем работой выхода электрона. Этот подход игнорировал химические реакции на границе электрод-электролит, включая образование H2 на более благородном металле в вольтовом столбе. Хотя Вольта не понимал принципа работы батареи или гальванического элемента, эти открытия заложили основу для создания электрических батарей; ячейка Вольта была признана IEEE Milestone в 1999 году. Спустя сорок лет Майкл Фарадей (см. законы электролиза Фарадея) показал, что гальванический элемент – часто называемый вольтаическим элементом – имеет химическую природу. Фарадей ввёл новую терминологию в химический язык: электрод (катод и анод), электролит и ион (катион и анион). Таким образом, Гальвани ошибочно полагал, что источник электричества (или источник электродвижущей силы (ЭДС), или место возникновения ЭДС) находится в животном, Вольта ошибочно считал, что он обусловлен физическими свойствами изолированных электродов, но Фарадей правильно определил источник ЭДС как химические реакции на границе раздела электрод-электролит. Авторитетным трудом по истории развития вольтаического элемента остаётся работа Оствальда. Вильгельм Кёниг в 1940 году предположил, что объект, известный как Багдадская батарея, может представлять собой технологию гальванических элементов из древней Парфии. Реплики, заполненные лимонной кислотой или виноградным соком, показали способность генерировать напряжение. Однако, далеко не ясно, было ли это его первоначальным назначением – другие исследователи отмечают его сходство с сосудами, использовавшимися для хранения пергаментных свитков.

In 1780, Luigi Galvani discovered that when two different metals (e. g., copper and zinc) are in contact and then both are touched at the same time to two different parts of a muscle of a frog leg, to close the circuit, the frog's leg contracts. He called this "animal electricity". The frog's leg, as well as being a detector of electrical current, was also the electrolyte (to use the language of modern chemistry). A year after Galvani published his work (1790), Alessandro Volta showed that the frog was not necessary, using instead a force based detector and brine soaked paper (as electrolyte). (Earlier Volta had established the law of capacitance with force based detectors). In 1799 Volta invented the voltaic pile, which is a stack of galvanic cells each consisting of a metal disk, an electrolyte layer, and a disk of a different metal. He built it entirely out of non biological material to challenge Galvani's (and the later experimenter Leopoldo Nobili)'s animal electricity theory in favor of his own metal metal contact electricity theory. Carlo Matteucci in his turn constructed a battery entirely out of biological material in answer to Volta. Volta's contact electricity view characterized each electrode with a number that we would now call the work function of the electrode. This view ignored the chemical reactions at the electrode electrolyte interfaces, which include H2 formation on the more noble metal in Volta's pile. Although Volta did not understand the operation of the battery or the galvanic cell, these discoveries paved the way for electrical batteries; Volta's cell was named an IEEE Milestone in 1999. Some forty years later, Faraday (see Faraday's laws of electrolysis) showed that the galvanic cell—now often called a voltaic cell—was chemical in nature. Faraday introduced new terminology to the language of chemistry: electrode (cathode and anode), electrolyte, and ion (cation and anion). Thus Galvani incorrectly thought the source of electricity (or source of electromotive force (emf), or seat of emf) was in the animal, Volta incorrectly thought it was in the physical properties of the isolated electrodes, but Faraday correctly identified the source of emf as the chemical reactions at the two electrode electrolyte interfaces. The authoritative work on the intellectual history of the voltaic cell remains that by Ostwald. It was suggested by Wilhelm König in 1940 that the object known as the Baghdad battery might represent galvanic cell technology from ancient Parthia. Replicas filled with citric acid or grape juice have been shown to produce a voltage. However, it is far from certain that this was its purpose—other scholars have pointed out that it is very similar to vessels known to have been used for storing parchment scrolls.

Принципы

Гальванические элементы являются продолжением спонтанных окислительно-восстановительных реакций, но были сконструированы лишь для использования энергии, выделяемой в ходе этой реакции. Полная ячейка состоит из двух полуэлементов, обычно соединенных полупроницаемой мембраной или солевым мостом, предотвращающим осаждение ионов более благородного металла на другом электроде. Затем электроны протекают через внешнюю цепь к катоду (положительному электроду) (в то время как при электролизе электрический ток направляет поток электронов в противоположном направлении, и анод является положительным электродом). Катод – это электрод, на котором происходит восстановление (присоединение электронов) (электрод металла B); в гальваническом элементе он является положительным электродом, поскольку ионы восстанавливаются, принимая электроны от электрода и осаждаясь (в то время как при электролизе катод является отрицательным полюсом и притягивает положительные ионы из раствора). В обоих случаях верно утверждение «катод притягивает катионы». Гальванические элементы по своей природе производят постоянный ток. В ячейке Вестона анод состоит из амальгамы кадмия и ртути, а катод – из чистой ртути. Электролит представляет собой (насыщенный) раствор сульфата кадмия. Деполяризатор – это паста из сульфата ртути(I). Когда раствор электролита насыщен, напряжение ячейки очень стабильно; поэтому в 1911 году оно было принято в качестве международного стандарта напряжения. Батарея – это набор гальванических элементов, соединенных вместе для формирования единого источника напряжения. Например, типичная 12-вольтовая свинцово-кислотная батарея состоит из шести гальванических элементов, соединенных последовательно, с анодами из свинца и катодами из диоксида свинца, оба погружены в серную кислоту. В больших аккумуляторных помещениях, например, на телефонных станциях, обеспечивающих центральное питание телефонных аппаратов пользователей, ячейки могут быть соединены как последовательно, так и параллельно.

Гальваническая коррозия

Гальваническая коррозия – это электрохимическое разрушение металлов. Коррозия происходит при контакте двух разнородных металлов в присутствии электролита, например, соленой воды. Это приводит к образованию гальванического элемента, на катоде (более благородном, менее активном) которого выделяется газообразный водород. Возникающий электрохимический потенциал создает электрический ток, который электролитически растворяет анод (менее благородный материал). Концентрационная ячейка может образоваться, если один и тот же металл подвергается воздействию электролита с разной концентрацией.