Базова конструкція вольтового елемента та принцип його роботи

Простий вольтовий елемент виготовляється шляхом занурення однієї цинкової та однієї мідної пластин у розчин серної кислоти, розчиненої у воді. Як показано на малюнку, якщо мідну та цинкову пластини зовні під’єднати до електричного навантаження, то електричний струм починає протікати від мідної пласти до цинкової через навантаження. Це означає, що між мідною та цинковою пластинами існує деяка електрична потенційна різниця. Оскільки струм протікає від мідної до цинкової пласти, очевидно, що мідна пластина заряджується додатньо, а цинкова – від’ємно.

Робота Вольтового Елемента

Принцип роботи вольтового елемента заснований на тому, що коли два різні металли занурені у розчин електроліту, більш реактивний метал має тенденцію розчинитися в електроліті як додатні металеві іони, залишаючи електрони на металевій пластині. Цей феномен робить більш реактивну металеву пластину від’ємно зарядженою.

Менш реактивний метал притягуватиме додатні іони, що знаходяться в електроліті, і ці додатні іони будуть осідати на пластині, роблячи її додатно зарядженою. У цьому випадку простого вольтового елемента, цинк виходить у розчин серної кислоти як додатній іон, а потім реагує з від’ємним SO4 − − іоном розчину, формуючи сульфат цинку (ZnSO4). Оскільки мідь є менш реактивним металом, додатні іони водню у розчині серної кислоти мають тенденцію осідати на мідній пластині. Більше цинкових іонів, що виходять у розчин, означає більше електронів, що залишаються на цинковій пластині. Ці електрони потім проходять через зовнішній провідник, з’єднаний між цинковою та мідною пластинами.

При досягненні мідної пласти, ці електрони поєднуються з атомами водню, що осідають на пластині, формуючи нейтральні атоми водню. Ці атоми потім поєднуються попарно, формуючи молекули водневого газу, який в кінцевому підсумку піднімається вгору вздовж мідної пласти у вигляді водневих бульбашок. Хімічна реакція, що відбувається всередині вольтового елемента, виглядає так,

Однак, ця реакція зупиняється, коли контактний потенціал між Zn та розчиненою серною кислотою досягає значення 0,62 В. Під час роботи вольтового елемента, цинкова пластина знаходиться на нижчому потенціалі відносно розчину, який прилегає до неї, як показано на малюнку нижче.

Подібним чином, коли мідна пластина знаходиться в контакті з електролітом, додатні іони водню у розчині мають тенденцію осідати на ній, поки її потенціал не підвищиться приблизно на 0,46 В над розчином. Тому, електрична потенційна різниця, що утворюється у вольтовому елементі, становить 0,62 − (− 0,46) = 1,08 В.

У простому вольтовому елементі є дві основні недоліки, відомі як поляризація та локальна дія.

Поляризація вольтового елемента

Спостерігається, що в цьому елементі струм поступово зменшується, і після певного часу його роботи, струм може зовсім припинитися. Це зменшення струму пов’язане з осадженням водню на мідній пластині. Хоча водень виходить з елемента у вигляді бульбашок, все ж таки утворюється тонкий шар водню на поверхні пласти. Цей шар діє як електрична ізоляція, збільшуючи внутрішнє опор елемента. Через цей ізоляційний шар, додатні іони водню не можуть отримати електрони від мідної пласти та осідати у іонному вигляді. Цей шар додатних іонів водню на мідній пластині відхиляє інші іони водню, які наближаються до мідної пласти. Тому струм зменшується. Цей феномен відомий як поляризація.

Локальна дія вольтового елемента

З’ясовано, що навіть коли вольтовий елемент не постачає струм, цинк постійно розчиняється у електроліті. Це пов’язано з тим, що деякі сліди забруднень, таких як залізо та свинець, у комерційному цинку формують мініатюрні локальні елементи, які короткуються головним тілом цинку. Дію цих паразитних елементів неможливо контролювати, тому відбувається певне витрачення цинку. Цей феномен відомий як локальна дія.

Заява: Поважайте оригінал, добре статті варто поширювати, якщо є порушення авторських прав, будь ласка, зверніться для видалення.