Гальваника и гальваническое покрытие: оборудование, виды, назначение

Виды электродов

В состав гальванического элемента входят электроды.
Электроды бывают:

Обратимые электроды

• Электроды 1-го рода — электроды, состоящие из металла, погружённого в раствор его соли;
• Электроды 2-го рода — электрод, состоящий из металла, покрытого труднорастворимой солью этого же металла, погружённый в раствор соли, который содержит общий анион с нерастворимой солью (хлорсеребряный электрод, каломельный электрод, металл-оксидные электроды);
• Электроды 3-го рода — электроды, состоящие из двух нерастворимых осадков электролитов: в менее растворимом есть катион, который образуется из металла электрода, а в более растворимом — есть общий анион с первым осадком;
• Газовые электроды — электроды, состоящие из неактивного металла в растворе и газа (кислородный электрод, водородный электрод);
• Амальгамные электроды — электроды, состоящие из раствора металла в ртути;
• Окислительно-восстановительные электроды — электроды, состоящие из неактивного металла (ферри-ферро-электрод, хингидронный электрод).

Ионоселективные мембранные электроды

• Электроды с ионообменной мембраной с фиксированными зарядами — стеклянный электрод;
• Электроды, состоящие из жидких ассоциированных ионитов;
• Электроды с мембраной на основе мембраноактивных комплексонов;
• Электроды с моно- и поликристаллической мембранами.

Литиевая батарейка

Литий-марганцевая диоксид батарейка -это относительно недавняя разработка, использующая преимущества высокого электродного потенциала и плотности энергии металлического лития. Она предлагает значительно большую плотность энергии и емкость, чем “щелочная” и угольная, при относительно небольшом увеличении стоимости.

Литий находится в форме очень тонкой фольги и запрессован внутри банки из нержавеющей стали, чтобы сформировать отрицательный электрод.

Положительный электрод – диоксид марганца, смешанный с углеродом для улучшения его проводимости, а электролит-перхлорат лития растворен в пропиленкарбонате.

Номинальное напряжение на клеммах литиевого элемента составляет 3,0 в, что в два раза больше, чем у “щелочных” и других гальванических элементов. Он также имеет очень низкую скорость саморазряда, что дает ему очень длительный срок хранения. Внутреннее сопротивление также довольно низкое и остается таким в течение всего срока службы.

Литиевая батарея хорошо работает при низких температурах, даже ниже -60 °C, и передовые разработки используют их в спутниках связи, космических аппаратах, военных и медицинских приложениях. Медицинские приложения, требующие длительного срока службы критически важных устройств, таких как искусственные кардиостимуляторы и другие имплантируемые электронные медицинские устройства, используют специализированные литий-ионные батареи, которые могут работать в течение многих лет.

Литиевые гальванические элементы батарейки подходят для менее важных применений для работы с игрушками, часами и камерами. Хотя литиевые батареи стоят дороже, они обеспечивают более длительный срок службы, чем “щелочные” батареи, и сводят к минимуму их замену.

На практике, однако, напряжение на клеммах уменьшается по мере уменьшения заряда. Именно по этой причине, в отличие от вторичных батарей, первичные, как правило, не получают спецификации емкости ни в ампер-часах, ни в миллиампер-часах от большинства производителей вместо этого обычно задается только максимальный ток разряда.
Литиевые гальванические элементы обладают значительно большей плотностью энергии и емкостью, чем “щелочные” и другие первичные батареи; они обеспечивают более высокое (примерно в два раза) напряжение на клеммах по сравнению с другими первичными элементами, и напряжение на клеммах остается почти постоянным в течение всего срока службы.

Цели гальванического покрытия металла

Существует целый ряд целей для нанесения гальванического покрытия. К примеру, для гальванического хромирования поверхность нужно предварительно покрыть никелем. К гальванике, как правило, обращаются с целью улучшения декоративных и защитных качеств конструкций. Эту процедуру используют и для изготовления точных копий сложных элементов. В этом случае процесс принято называть гальванопластикой.

Широко распространена технология оцинковки металлов посредством гальваники. Она позволяет сделать на поверхности цинковое покрытие, которое характеризуется отменными антикоррозийными свойствами. Изделия из металлических сплавов, которые прошли обработку с применением этой технологии, могут долго сохранять свои свойства при высокой влажности и даже при постоянном воздействии соленой и пресной воды. Посредством цинкования также производят обработку трубопрокатных изделий, всевозможные емкости, опорные и строительные конструкции. Благодаря применению цинкования металлические поверхности получают и электрохимическую, и барьерную защиту.

Если посредством цинкования увеличивается лишь стойкость материала к коррозии, то гальваника хромом решает и эту задачу, делая поверхность более износостойкой и крепкой и также улучшая ее внешний вид. Аналогичным эффектом обладают и гальванические покрытия на основе никеля.

Другая область применения гальваники — ювелирная промышленность. Эта технология в данной ситуации используется для того, чтобы улучшить внешний вид ювелирной продукции. При этом на украшение наносится слой серебра или золота. Кроме того, пленка, которая наносится на изделие при обработке, делает его ярче и привлекательнее.

Необходимое оборудование

Гальваника своими руками может быть качественно выполнена с использованием даже самого простейшего оборудования, которое есть в арсенале многих мастеров. В первую очередь следует подобрать источник постоянного тока, который обязательно должен быть оснащен регулятором выходного напряжения. Наличие такого регулятора необходимо для того, чтобы иметь возможность плавно и в широких пределах изменять мощность вашего самодельного устройства для гальваники.

В качестве источника питания в домашних условиях очень удобно использовать выпрямитель электрического тока, который можно собрать самостоятельно (или приобрести серийную модель). Многие умельцы, выполняющие нанесение гальванического покрытия в домашних условиях, в качестве источника тока применяют серийные сварочные аппараты.

Для домашней гальваники подойдет стабилизированный блок питания с регулируемым напряжением (1,5–12 В)

Гальваническая ванна своими руками также может быть изготовлена без особых проблем. В качестве такой ванны можно использовать любую емкость из стекла или пластика, при этом необходимо учитывать, что в такую емкость для гальваники должна помещаться как обрабатываемая деталь, так и требуемое количество электролита

Очень важно также, чтобы ванна была достаточно прочной и могла выдерживать высокую температуру, величина которой может доходить до 80°

Аноды, используемые для осуществления гальваники в домашних условиях, выполняют сразу несколько важных функций:

• подводят в электролит электрический ток и обеспечивают равномерное распределение последнего по обрабатываемой поверхности;
• возмещают убыль наносимого на изделие металла, расходуемого из химического состава электролита;
• способствуют протеканию некоторых окислительных процессов.

Гальваника дома не может быть осуществлена без использования нагревательного прибора, при помощи которого электролит доводится до требуемой рабочей температуры. Очень удобно, когда интенсивность нагрева, обеспечиваемого таким устройством, может регулироваться. Если ориентироваться на опыт домашних умельцев, которые уже имеют опыт нанесения гальванических покрытий в домашних условиях, можно порекомендовать использовать в качестве нагревательного прибора небольшую электроплитку или обычный утюг с регулировкой степени нагрева подошвы.

История

В 1780 году Луиджи Гальвани обнаружил, что, когда два разных металла (например, медь и цинк) находятся в контакте, а затем оба одновременно касаются двух разных частей мышцы лягушачьей ноги, замыкается цепь, лягушачья нога контракты. Он назвал это « животным электричеством ». Нога лягушки, будучи детектором электрического тока, была также электролитом (если использовать язык современной химии).

Через год после того, как Гальвани опубликовал свою работу (1790 г.), Алессандро Вольта показал, что в лягушке нет необходимости, используя вместо этого силовой детектор и пропитанную рассолом бумагу (в качестве электролита). (Ранее Вольта установил закон емкости C =QVс силовыми детекторами). В 1799 году Вольта изобрел гальваническую батарею, которая представляет собой стопку гальванических элементов, каждая из которых состоит из металлического диска, слоя электролита и диска из другого металла. Он построил его полностью из небиологического материала, чтобы бросить вызов теории электричества животных Гальвани (а позже экспериментатор Леопольдо Нобили ) в пользу своей собственной теории контактного электричества металл-металл. Карло Маттеуччи, в свою очередь, сконструировал батарею полностью из биологического материала в ответ Вольте. Взгляд Вольта на контактное электричество характеризовал каждый электрод числом, которое мы теперь назвали бы работой выхода электрода. Эта точка зрения игнорировала химические реакции на границах раздела электрод-электролит, которые включают образование H ₂ на более благородном металле в куче Вольта.

Хотя Вольта не понимал принцип действия батареи или гальванического элемента, эти открытия проложили путь для электрических батарей; Ячейка Вольты была названа вехой IEEE в 1999 году.

Примерно сорок лет спустя Фарадей (см . Законы электролиза Фарадея ) показал, что гальванический элемент, который теперь часто называют гальваническим элементом, был химическим по своей природе. Фарадей ввел в язык химии новую терминологию: электрод ( катод и анод ), электролит и ион ( катион и анион ). Таким образом, Гальвани ошибочно полагал, что источник электричества (или источник ЭДС, или место расположения ЭДС) находится в животном, Вольта ошибочно полагал, что это было в физических свойствах изолированных электродов, но Фарадей правильно определил источник ЭДС как химические реакции. на двух поверхностях раздела электрод-электролит. Авторитетная работа по интеллектуальной истории гальванической ячейки остается работой Оствальда.

В 1940 году Вильгельм Кёниг высказал предположение, что объект, известный как багдадская батарея, может представлять технологию гальванических элементов из древней Парфии . Доказано, что реплики, наполненные лимонной кислотой или виноградным соком, производят напряжение. Однако нет уверенности в том, что это было его предназначение — другие ученые отмечали, что он очень похож на сосуды, которые, как известно, использовались для хранения пергаментных свитков.

Характеристики гальванических элементов

Гальванические элементы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), ёмкостью; энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь; сохраняемостью.

• Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. ЭДС описывается термодинамическими функциями протекающих электрохимических процессов в виде уравнения Нернста.
• Электрическая ёмкость элемента — это количество электричества, которое источник тока отдаёт при разряде. Ёмкость зависит от массы реагентов, запасённых в источнике, и степени их превращения; снижается с понижением температуры или увеличением разрядного тока.
• Энергия гальванического элемента численно равна произведению его ёмкости на напряжение. С увеличением количества вещества реагентов в элементе и до определённого предела, с увеличением температуры, энергия возрастает. Энергию уменьшает увеличение разрядного тока.
• Сохраняемость — это срок хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных пределах. Сохраняемость элемента уменьшается с ростом температуры хранения.

Разновидности гальванических элементов

Самыми распространенными считают угольно-цинковые элементы. В них применяется пассивный угольный коллектор тока, контактирующий с анодом, в качестве которого выступает оксид марганца (4). Электролитом является хлорид аммония, применяемый в пастообразном виде.

Он не растекается, поэтому сам гальванический элемент называют сухим. Его особенностью является возможность «восстанавливаться» на протяжении работы, что позитивно отражается на продолжительности их эксплуатационного периода. Такие гальванические элементы имеют невысокую стоимость, но невысокую мощность. При понижении температуры они снижают свою эффективность, а при ее повышении происходит постепенное высыхание электролита.

Щелочные элементы предполагают использование раствора щелочи, поэтому имеют довольно много областей применения.

В литиевых элементах в качестве анода выступает активный металл, что позитивно отражается на сроке эксплуатации. Литий имеет отрицательный электродный потенциал, поэтому при небольших габаритах подобные элементы имеют максимальное номинальное напряжение. Среди недостатков подобных систем можно выделить высокую цену. Вскрытие литиевых источников тока является взрывоопасным.

Область использования

Электрохимия имеет множество важных применений, особенно в промышленности. Ее процессы используются для изготовления электрических батарей. Они имеют множество применений, включая:

1. Топливный элемент преобразует химическую потенциальную энергию, получаемую при окислении топлива, например, газа, водорода, углеводородов, спиртов в электрическую энергию.
2. Различные виды пьезозажигалок для газа.
3. Электрические приборы, такие как мобильные телефоны.
4. Цифровые камеры-литиевые.
5. Слуховые аппараты (оксидно-серебряные).
6. Электронные часы (ртутные/оксидно-серебряные).
7. Военные источники тока (тепловые).
8. Батарейки A, AA, AAA, D, C и другие.

Использование химических реакций для производства электричества в настоящее время является приоритетом для многих исследователей. Возможность адекватно использовать химические реакции в качестве источника энергии в значительной степени поможет решить проблемы загрязнения окружающей среды.

Виды покрытия

Гальванический метод обработки подразумевает под собой применение разных металлов. От этого изменяется вид, название метода. Технологии:

1. Хромирование — популярный тип обработки. После обработки деталь становится износоустойчивой, поврежденные места восстанавливаются.
2. Цинкование — процесс нанесения покрытия для защиты металлических заготовок от появления ржавчины.
3. Серебрение — применяется для улучшения вида заготовки. Защищает деталь от образования ржавчины. Повышает показатель электропроводности.
4. Латунирование — применяется для повышения показателя адгезии с резиновыми поверхностями, защиты основы от коррозии.
5. Гальванизация золотом — применяется для восстановления украшений, придания им обновленного вида. Улучшает отражающие свойства, повышает коррозийную защиту, увеличивает токопроводящий показатель, ценность предмета.
6. Радирование — чтобы основание стало устойчивым к длительному воздействию химических веществ, кислот, щелочей, проводится этот тип обработки.
7. Никелирование — технологический процесс, применяемый для покрытия медных, стальных, алюминиевых заготовок. Готовое покрытие защищает изделие от разрушительного воздействия кислот, образования ржавчины. Поверхность становится устойчивой к истиранию, любым механическим воздействиям.

Обработанное изделие (Фото: Instagram / galvanoestetika_shop)

Принцип работы гальванических ванн, предназначение и виды конструкций

Гальванический процесс, работа которого построена на использовании электрического тока, дает возможность однотонного покрытия на поверхностях различных материалов. Чтобы понять принцип действия работы гальванических ванн, необходимо более детально ознакомится с конструкциями и принципом работы, это даст возможность самостоятельно изготовить устройство в домашних условиях.

Гальваника, что она собой представляет

Правильно используемая сила тока позволяет уменьшить растворенность катионов в металлах, этот принцип и есть основой гальваники. Использование гальваники позволяет видоизменять обрабатываемую поверхность, с учетом электрического окисления анионов по следующим параметрам:

• Улучшается внешний вид и эстетические качества.
• Увеличивается противостояние агрессивной среде, понижается скольжение.
• Удаление дефектных и поврежденных участков с учетом улучшения износостойкости.
• Процесс гальваники используют, как средство для увеличения толщены изделия в местах низкорослости, и при формировании плотности.

Использование гальванического травления именуют электроосаждением для очистки поверхностей, где предполагаемо, будет наноситься защитный слой. Принцип работы основан на применении в гальванической ванне производимой компанией plast-product.ru одного из вида электролита, который содержит одну, или несколько растворимых солей металла. Эта особенность дает возможность усиливать прохождение электрического тока и способствует накоплению ионов.

Толщина слоя зависит от времянахождения объекта в ванне, а скорость растворяемого анода зависит от катодной площади, обрабатываемого электротоком.

Отрасли, где применяется гальваника

Гальваника применяется в различных направлениях, но наиболее популярными является медицинская отрасль, декоративная металлургия и ювелирное дело. По популярности металлов, которые используют обработки поверхностей, выделяются:

• Родий.
• Золото.
• Палладий.
• Рутений.
• Серебро.
• Латунь.

В ювелирном деле и медицине технологию используют для хромирования деталей и инструмента, никелирования, оцинковки и обезжириваний.

Как организовать процесс гальваники самостоятельно в домашних мастерских

Процесс гальванизации не отличается сложностью и его вполне по силам организовать в домашних мастерских. Для этого потребуется следующее оборудование:

• Регулируемый блок питания.
• Осветитель.
• Медный купорос (вещество является ядовитым, требует корректного использования).
• Зажимы (в народе именуют «крокодилами»).
• Контейнер из стекла.
• Электроды, изготовленные из меди.

В домашних условиях сложных гальванических процессов невозможно организовать, но простейшее медное покрытие на различных покрытиях, задача выполнимая для всех желающих попробовать свои силы в подобного рода занятиях. Материал природного происхождения должен иметь слой эмали, иначе его просто испортят.

Процесс приготовления

Медный купорос растворяют в необходимом количестве воды, которая должна полностью покрывать предмет в специальном контейнере. Анод устанавливают в контейнере до полного погружения, не допуская контакта с материалом. Чем ниже напряжение, тем большее количество жидкости можно использовать.

Питание

Блок питания имеет два выхода: (+) присоединяется к аноду, таким образом, чтобы он находился над поверхностью жидкости, (-) крепится к катоду, заранее исключая прикосновение детали к меди. После чего можно подавать питание (достаточно 1 В).

Время от времени нужно проверять качество и слой покрытия, если увеличивается тусклость, нужно добавить в раствор немного отбеливателя. Сам процесс занимает несколько минут.

Полоскание

По завершению нанесения слоя деталь промывают проточной водой и вытирают насухо, следя за отсутствием на поверхности частиц медного купороса. Достаточно нескольких «тренировок», чтобы овладеть технологией обработки поверхностей на приличном уровне исполнения. Данный вид обработки поверхностей позволит вернуть привлекательность многих дорогих сердцу вещиц, которые по разным причинам потеряли нужный формат.

Рекомендуем к прочтению

Самостоятельная тонировка паркета — как это сделать правильно Как выбрать торфяной туалет для дачи Как выбрать хорошую строительную компанию: рекомендации специалистов Бани из бревна и бруса: преимущества и недостатки

Принцип работы гальванического элемента

Работа гальванического элемента осуществляется за счет движения электронов от одного металлического контакта к другому. Идет некое химическое превращение. Подробнее про термодинамику гальванического элемента и образование гальванического электричества читайте здесь.

Ответы на часто задаваемые вопросы

Гальванический/ая	Разъяснение
Батарея	Источник энергии работающий за счет процессов, происходящих в ограниченном миниатюрном пространстве. В частности, энергия появляется, когда идет химическая реакция.
Элемент Вольта или Вольтов столб	Это энергетический элемент впервые созданный ученым по фамилии Вольт.
Процесс	Взаимодействие между химическими элементами в результате которого образуется электрический ток.
Разряд	Это завершение протекания химической реакции. То есть взаимодействия между веществами не будет.Гальванический разряд есть в игре Warframe. По сути это модификация, которая находится в большом дефиците. Ее используют для холодного оружия. Полярность V2.
Гальванический контакт	Это контакт между электродами и раствором.
Эффект	Появление разности между двумя контактами из 2-х типов металлов. Величина зависит от температуры и химии проводников. По сути это первый закон Вольта.
Соединение/связь/цепь	Объединение 2-х и более участков электрической цепи с источником тока.
Гальванический заряд	Наполнение батареи энергией.

Гальваника – это протекание химических процессов с использование электрического тока. В ходе реакция сокращается количество растворенных катионов металла до такой степени что в конечном итоге они создают единое покрытие на металлическом электроде. В итоге предмет получается более прочным, исчезают небольшие вмятины и его вид становится более привлекательным.

Источник токов

Существует два типа электрохимических элементов: гальванические и электролитические. Гальваническая клетка использует энергию, выделяемую во время спонтанной окислительно-восстановительной реакции для выработки электроэнергии.

Электролитическая ячейка потребляет энергию от внешнего источника, используя ее, чтобы вызвать непредвиденную окислительно-восстановительную реакцию.

Два типа ячеек

Гальванический элемент, история создания которого официально началась в 18 веке, дал старт развития науки электротехники. Во время проведения экспериментов с электричеством в 1749 году Бенджамин Франклин впервые ввел термин «батарея» для описания связанных конденсаторов. Однако его устройство не стала первой ячейкой. Находки археологов «батареи Багдада» в 1936 году имеют возраст более 2000 лет, хотя точное назначение их до сих пор спорно.

Луиджи Гальвани в честь которого названа гальваническая ячейка, впервые описал «электричество животных» в 1780 году, когда пропускал ток через лягушку. В то время он не знал об этом, но его устройство работало по принципу батареи. Его современник Алессандро Вольта в честь которого названа «вольтовая ячейка» был убежден, что «животное электричество» исходило не от лягушки, а от чего-то другого, он много работал над этим и в 1800 году изобрел первую настоящую батарею — «вольтовую кучу».

Александро Вольт

В 1836 году Джон Фредерик Даниэль, исследуя способы преодоления проблем вольтовой кучи создал свою ячейку. За этим открытием последовало создание ячейки Уильяма Роберта Гроува в 1844 году. Первая аккумуляторная батарея была изготовлена из свинцово-кислотного элемента в 1859 году компанией Gaston Plante, далее появились гравитационная ячейка Калло в 1860 и ячейка Лекланш Жоржа Лекланша в 1866 году.

До этого момента все батареи были мокрого типа. В 1887 году Карл Гасснер создал первую сухую батарею, изготовленную из углеродно-цинковой батареи. Никель-кадмиевая батарея была представлена в 1899 году Вальдмаром Юнгнером вместе с никель-железной батареей. Однако Юнгнер не смог запатентовать ее и в 1903 году изобретатель Томас Эдисон запатентовал свой слегка измененный дизайн.

Русский ученый-физик Василий Петров в 1802 году соорудил крупнейшую гальваническую батарею в мире, дающую напряжение 1500В. Для сооружения потребовалось около 4200 цилиндров из меди и цинка с диаметром 35.0 мм м толщиной 2.5 мм. Батарея была размещена в ящике из красного дерева, обработанного несколькими слоями различных смол. Опыты Петрова положили начало современной электрометаллургии в дуговых печах.

Обратите внимание! Крупный прорыв в гальваническом направлении источников тока произошел в 1955 году, когда Льюис Урри, сотрудник компании «Energizer», представил общую щелочную батарею. 1970-е годы привели к никель-водородной батарее, а 1980-е годы к никель-металлогидридной батарее

Литиевые батареи были впервые созданы еще в 1912 году, однако наиболее успешный тип, литий-ионный полимерный аккумулятор, используемый сегодня в большинстве портативных электронных устройств, был выпущен только в 1996 году.

Устройство и принцип работы гальванического элемента

Металл, погруженный в раствор электролита, называется электродом.

Электроды — это система двух токопроводящих тел — проводников первого и второго рода.

К проводникам первого рода относятся металлы, сплавы, оксиды с металлической проводимостью, а также неметаллические материалы, в частности графит; носители заряда — электроны.

К проводникам второго рода относятся расплавы и растворы электролитов; носители заряда — ионы.

Устройство, состоящее из двух электродов, называется гальваническим элементом.

Рис. 2. Схема медно-цинкового гальванического элемента

Рассмотрим гальванический элемент Якоби—Даниэля (схема приведена на рис. 2). Он состоит из цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка, и медной пластины, погружен­ной в раствор сульфата меди. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой.

В гальваническом элементе электрод, сделанный из более активного металла, т.е. металла, расположенного левее в ряду напряжений, называют анодом, а электрод, сделанный из менее активного металла — катодом.

На поверхности цинкового электрода (анода) возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Zn0 – 2ē ←→ Zn2+.

В результате протекания этого процесса возникает электродный потенциал цинка.

На поверхности медного электрода (катода) также возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Cu2+ + 2ē ←→ Cu0.

В результате возникает электродный потенциал меди.

Так как потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, то при замыкании внешней цепи, т.е. при соединении цинка с медью металлическим проводником, электроны будут переходить от цинка к меди. В результате этого процесса равновесие на цинковом электроде смещается вправо, поэтому в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. В то же время равновесие на медном электроде сместится влево и произойдет разряд ионов меди.

Таким образом, при замыкании внешней цепи возникают самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и выделения меди на медном электроде. Данные процессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются потенциалы или не растворится весь цинк или не высадится на медном электроде вся медь.

Итак, при работе гальванического элемента Якоби—Даниэля протекают следующие процессы:

1. Анодный процесс, процесс окисления:

Zn0 – 2ē → Zn2+.

2. Катодный процесс, процесс восстановления:

Cu2+ + 2ē → Cu0.

3. Движение электронов во внешней цепи.

4. Движение ионов в растворе: анионов SO42– к аноду, катионов Cu2+ к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

Суммируя электродные реакции, получим:

Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu.

В результате протекании данной реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т.е. электрический ток. Поэтому суммарную химическую реакцию, протекающую в гальваническом элементе, называют токообразующей реакцией.

Электрический ток в гальваническом элементе возникает за счет окислительно-восстановительной реакции, протекающей так, что окислительные и восстановительные процессы оказываются пространственно разделенными: на отрицательном электроде (аноде) происходит процесс окисления, на положительном электроде (катоде) — процесс восстановления.

Необходимым условием работы гальванического элемента является разность потенциалов электродов. Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента. Она равна разности между потенциалом катода и потенциалом анода элемента:

ЭДС = Eк – Ea . (1)

ЭДС элемента считается положительной, если токообразующая реакция в данном направлении протекает самопроизвольно. Положительной ЭДС отвечает и определенный порядок в записи схемы элемента: записанный слева электрод должен быть отрицательным. Например, схема элемента Якоби—Даниэля записывается в виде:

Zn │ ZnSO4 ║ CuSO4 │ Cu .

Классификация гальванических элементов

Использованные источники питания различных типов и размеров

Гальванические первичные элементы — это устройства для прямого преобразования химической энергии, заключенных в них реагентов (окислителя и восстановителя), в электрическую. Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, и действие прекращается после расхода реагентов. Примером гальванического элемента является элемент Даниэля—Якоби.

Широкое распространение получили марганцево-цинковые элементы, не содержащие жидкого раствора электролита (сухие элементы, батарейки). Так, в солевых элементах Лекланше: цинковый электрод служит катодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит анодом, графит служит токоотводом. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя.

Щелочные марганцево-цинковые элементы, в которых в качестве электролита используется паста на основе гидроксида калия, обладают целым рядом преимуществ (в частности, существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки).

Солевые и щелочные элементы широко применяются для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.

Литий-ионный аккумулятор сотового телефона

Вторичные источники тока (аккумуляторы) — это устройства, в которых электрическая энергия внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а химическая — снова превращается в электрическую.

Одним из наиболее распространённых аккумуляторов является свинцовый (или кислотный). Электролитом является 25—30 % раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решётки, заполненные оксидом свинца, который при взаимодействии с электролитом превращается в сульфат свинца (II) — PbSO₄.

Также существуют щёлочные аккумуляторы: наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы, в которых электролитом служит гидроксид калия (K-OH).

В различных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой ёмкостью и отсутствием эффекта памяти.

Электрохимические генераторы (топливные элементы) — это элементы, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую. Окислитель и восстановитель хранятся вне элемента, в процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам. В процессе работы топливного элемента, электроды не расходуются. Восстановителем является водород (H₂), метанол (CH₃OH), метан (CH₄); в жидком или газообразном состоянии. Окислителем обычно является кислород — из воздуха или чистый.
В кислородно-водородном топливном элементе со щёлочным электролитом, происходит превращение химической энергии в электрическую.
Энергоустановки применяются на космических кораблях: они обеспечивают энергией космический корабль и космонавтов.