Основная конструкция и принцип работы вольтовой ячейки

Простая вольтовская ячейка состоит из одной цинковой и одной медной пластин, погруженных в раствор серной кислоты, разбавленный водой. Как показано на рисунке, если медную и цинковую пластины соединить внешней электрической нагрузкой, то начинает течь электрический ток от медной пластины к цинковой через нагрузку. Это означает, что между медной и цинковой пластинами возникает некоторое электрическое напряжение. Поскольку ток течет от меди к цинку, очевидно, что медная пластина становится положительно заряженной, а цинковая — отрицательно заряженной.

Принцип работы вольтовой ячейки

Принцип работы вольтовой ячейки основан на том, что при погружении двух различных металлов в электролитический раствор более реактивный металл будет иметь тенденцию растворяться в электролите как положительные ионы металла, оставляя электроны на металлической пластине. Этот феномен делает более реактивную металлическую пластину отрицательно заряженной.

Менее реактивный металл притягивает положительные ионы, находящиеся в электролите, и, следовательно, эти положительные ионы оседают на пластине, делая ее положительно заряженной. В случае простой вольтовой ячейки, цинк выходит в раствор серной кислоты как положительный ион, затем реагирует с отрицательным ионом SO4 − − раствора, образуя цинксульфат (ZnSO4). Поскольку медь менее реактивный металл, положительные ионы водорода раствора серной кислоты имеют тенденцию осаждаться на медной пластине. Чем больше ионов цинка выходит в раствор, тем больше электронов остается на цинковой пластине. Эти электроны затем проходят через внешний проводник, соединяющий цинковую и медную пластины.

Достигнув медной пластины, эти электроны затем объединяются с атомами водорода, осажденными на пластине, и образуют нейтральные атомы водорода. Эти атомы затем объединяются попарно, образуя молекулы водорода, и газ, в конечном итоге, поднимается вдоль медной пластины в виде пузырьков водорода. Химическая реакция, происходящая внутри вольтовой ячейки, следующая,

Однако эта реакция прекращается, когда контактное напряжение между Zn и разбавленной серной кислотой достигает значения 0,62 Вольта. Во время работы вольтовой ячейки, цинковая пластина находится при более низком потенциале по отношению к раствору, примыкающему к ней, как показано на рисунке ниже.

Аналогично, когда медная пластина контактирует с электролитом, положительные ионы водорода в растворе имеют тенденцию осаждаться на ней до тех пор, пока ее потенциал не возрастет примерно до 0,46 В над этим раствором. Таким образом, электрическое напряжение, развиваемое в вольтовой ячейке, составляет 0,62 − (− 0,46) = 1,08 Вольта.

В простой вольтовой ячейке есть два основных недостатка, называемых поляризацией и локальным действием.

Поляризация вольтовой ячейки

Наблюдается, что в этой ячейке ток постепенно уменьшается, и после определенного времени работы ток может полностью прекратиться. Это уменьшение тока связано с осаждением водорода на медной пластине. Хотя водород выходит из ячейки в виде пузырьков, все же образуется тонкий слой водорода на поверхности пластины. Этот слой действует как электрическая изоляция, увеличивая внутреннее сопротивление ячейки. Из-за этого изолирующего слоя дополнительные ионы водорода не могут получить электроны от медной пластины и оседают в виде ионов. Этот слой положительных ионов водорода на медной пластине оказывает отталкивающую силу на другие ионы водорода, которые приближаются к медной пластине. Поэтому ток уменьшается. Этот феномен известен как поляризация.

Локальное действие вольтовой ячейки

Обнаружено, что даже когда вольтовая ячейка не поставляет ток, цинк постоянно растворяется в электролите. Это связано с тем, что некоторые следы примесей, таких как железо и свинец, в коммерческом цинке образуют микроскопические локальные ячейки, которые замыкаются основным корпусом цинка. Действие этих паразитных ячеек не может быть контролировано, поэтому происходит некоторое расходование цинка. Этот феномен известен как локальное действие.

Заявление: Уважайте оригинальные, хорошие статьи, стоит делиться, если есть нарушение авторских прав, обратитесь для удаления.