Elementul galvanic Pilele elec tr ochimice (sau pil ele gal vanice) sunt sisteme in care ener gia chimica este transformata in energie electrica. Componenta: • 2 electrozi (doua semicelule); • punte de sare; • voltmetru; • conductor metalic exterior; Electrodul: la nivelul lui are loc oxidarea (in cazul anodului) sau reducerea (in cazul catodului). Combinarile dintre metalele care sunt folosite drept electrozi sunt date de seria de reactivitate. Anodulelectrodul de !n • masa electrodului de !n scade; • concentratia ionilor !n 2" in solutie creste; • ionii Cl (din puntea de sare) se orienteaza spre aceasta semicelula spre a compensa nivelul ridicat al sarcinilor pozitive;
Pilele electrochimice (sau pilele galvanice) sunt sisteme in care energiachimica este transformata in energie electrica.
Componenta:
• 2 electrozi (doua semicelule);
• punte de sare;
• voltmetru;
• conductor metalic exterior;
Electrodul: la nivelul lui are loc oxidarea (in cazul anodului) sau reducerea (incazul catodului). Combinarile dintre metalele care sunt folosite drept electrozisunt date de seria de reactivitate .
Anodul electrodul de !n
• masa electrodului de !n scade;
• concentratia ionilor !n2" in solutie creste;
• ionii Cl (din puntea de sare) se orienteaza spre aceasta semicelula spre acompensa nivelul ridicat al sarcinilor pozitive;
• concentratia ionilor sulfat (#$%) 2 din solutie creste;
• ionii & " din puntea de sare se orienteaza spre aceasta semicelula spre acompensa nivelul ridicat al sarcinilor negative;
Reactia globala generatoare de curent
Puntea de sare: are rolul de a asigura neutralitatea solutiilor sarurilor celordoua metale care 'oaca rol de electrozi.
Voltmetru: demonstreaza diferenta de potential dintre cele doua semicelule.
Conductorul metalic exterior: asigura transportul electronilor intre celedoua semicelule.
Cum funcţionează
u are importan* dac* carburantul este lichid sau gazos+ trebuie s* ,e bogat -n atomi de hidrogen. #ecretul pilelor de combustie #* se separe electronul /iprotonul ,ec*rui atom de hidrogen /i apoi s* ia un drum diferit. 0upa cehidrogenul este extras din carburant+ traverseaz* un catalizator care scindeaz*atomii de hidrogen -n electroni /i protoni. 1ceste sarcini se -ndreapt* spre unelectrolit sau o membran*+ dup* tipul pilei+ care nu las* s* treac* dect protonii.
Electronii sunt deci excedentari pe una dintre feele ,ltrului+ care se -ncarc*negativ. Electrozii+ cel mai adesea din carbon sau siliciu+ -ncadreaz* ,ltrul /irecupereaz* sarcinile electrice. #unt bornele pilei. Cnd circul* curentul+electronii a'ung la electrodul pozitiv. Ei se recombin* cu protonii /i oxigenul dinaer+ formnd vapori de ap*.
Cataliza este -nsoit* de o puternic* dega'are de c*ldur*. 3ilanul energeticeste repartizat astfel: %45 electricitate /i 645 c*ldur*. Pilele de combustie ofer*simultan electricitate /i c*ldur*. 0ega'area c*ldurii ridic* -ns* probleme atuncicnd se dore/te numai obinerea de energie electric*. Este cazul automobilului.0e'a anumite soluii de recuperare /i reciclare a c*ldurii permit obinerearandamentelor de 745. $ricare ar , randamentul pilelor este de'a net superiorcelui de grupuri electrogene tradiionale care este de 245. Ele -ncep s* ia loculacestora pentru aprovizionarea cu electricitate a zonelor izolate.
1/adar+ pilele de combustie permit producerea de electricitate /i c*ldur* cuun randament superior /i slabe emisii poluante
Pila Daniell
8alorile seriei de activitate electrica ne sunt date de experimente numiteelemente galvanice. 9n cadrul elementului galvanic un metal este pus -ntrosolutie de sare iar alt metal este pus -n alta solutie de sare. Cele doua metalesunt conectate printrun ,r. 1mndoua metalele din solutiile de sare sunt -npahare diferite asa ca trebuie conectate 0e exemplu putem folosi un ,r. 1cestansamblu formeaza un circuit electric -nchis. iecare dintre paharele cu metal sisolutie de sare sunt numite 'umatati de celula. 1ceasta este structura generalaa unui element galvanic.
8om explica procesul cu a'utorul unui alt element galvanic. 1cesta esteelementul numit Daniell. 0iferenta e ca acest element foloseste un singur paharcu un perete despartitor. 1cest perete poate , trecut doar de ionii solutiei de
sare. #olutiile nu pot , combinate+ dar ionii se pot misca. Pentru a face unelement 0aniell este important sa folosim substantele potrivite. olosim Cuprul+pe care trebuie sal bagam -ntro solutie de sulfat de cupru+ si !incul+ pe caretrebuie sal bagam -ntro solutie de sulfat de zinc. Cele doua metale trebuieconectate printrun ,r+ si acum elementul 0aniel este gata. 1cum vom explica dece curge curentul.
Putem vedea ca la electrodul de zinc sunt mai multi electroni+ pentru ca zincul emai putin nobil dect cuprul. !incul e polul negativ+ pe cnd Cuprul e polulpozitiv. Electronii de pe electrodul de zinc+ care sunt cedati prin procesul deoxidare sunt transferati prin ,r pe electrodul de cupru+ care este supus procesului
<a electrodul de zinc se formeaza cationi care trec -n solutie. <a polul pozitivcationii de cupru devin atomi de cupru+ care se aseaza pe suprafata electroduluide cupru. 1nionii de sulfat+ din solutia de sulfat de cupru+ nu gasesc destuicationi de cupru+ deoarece acestia au devenit atomi. 1stfel ei trec prin pereteledespartitor si -n cealalta parte gasesc cationi de zinc. Electrodul de cupru se
mareste iar electrodul de zinc se micsoreaza .Cantitatea de solutie de cupruscade iar cantitatea de solutie de zinc creste.
$bservam ca exista un voltmetru -n circuitul electric pentru a masuraintensitatea curentului dintre cupru si zinc+ intensitate care este de =.= volti.3ateriile si acumulatorii nu sunt nimic altceva dect elemente galvanice. 1cestexperiment poate , facut cu multe substante diferite. Cnd diferenta de potentialeste mai mare si intensitatea este mai mare.
1cum vom reveni la teorie cu a'utorul hidrogenului. 0e,nitia spune cahidrogenul are o intensitate de 4 volti. >oate celelalte substante din seria dereactivitate sunt puse -n relatie cu electronul normal de hidrogen. Pentru a a?avolta'ul tuturor substantelor trebuie sa construim un element galvanic carecontine substanta necunoscuta si atomul de hidrogen. 0eoarece hidrogenul esteun gaz trebuie folosita platina care este -ncon'urata de hidrogen; platina va ,utilizata ca electrod al hidrogenului.
Pila Lenclanche
Cea mai comuna forma de pila galvanica este pila <eclanche inventata dechimistul francez @eorges <eclanch -n =764. An limba' popular este numita pilauscata sau baterie proiectoare. Pila <eclanche utilizata ln zilele noastre estefoarte similara inventiei originale. Electrolitul consta dintrun amestec de clorurade amoniu si clorura de zinc facuta pasta. Electrodul negativ este facut din zincca si carcasa externa a pilei+ iar electrodul pozitiv+ o ti'a de carbune -ncon'uratade un amestec de carbon si dioxid de mangan. Pila <eclanche produce circa =.B8.
Pila <eclanch este frecvent utilizata pentru alimentarea aparatelor de radio cutranzistori+ a lanternelor de buzunar+ la instalatii de semnalizare etc.
Deactiile care au loc la electrozi sunt complexe+ si se pot reprezenta astfel:
orta electromotoare a acestei pile este de =+B = +6B 8+ si scade pe masura cepila se descarca. An mod frecvent+ se leaga in serie mai multe astfel de baterii.
$ alta -ntrebuintare este in bateriile de acumulatoare. 1stfel de baterii suntdezvoltate pentru uz electric pentru a , folosite ca nivelatoare de -ncarcatura+pentru a compensa ?uctuatiile momentane de capacitate ale sistemului. 1stfel
de baterii ar putea ? instalate aproape de locurile cu cerinte speciale. 1cesteacauzeaza putine probleme de mediu si ocupa putin spatiu.
Pile alcaline
Pilele alcaline sunt de dimensiuni foarte mici. #unt utilizate la ceasuri+aparate auditive+ camere video+ minicalculatoare.
Pila voltaica !entston"
Pila voltaica standard+ numita #ila !entston+ a folosit la de,nireavoltului ca unitate de masura. 1ceasta are poli din amalgam de cadmiu sisulfat de mercur si ca electrolit sulfat de cadmiu.
$ateria cu mercur
$ alta pila galvanica folosita pe scara larga este bateria cu mercur.Poate lua forma unui disc mic si plat si este folosita -n aceasta forma -naparate pentru auz+ celule fotoelectrice si ceasuri de mana electrice.Electrodul negativ este din zinc+ cel pozitiv din oxid de mercur+ iarelectrolitul este o solutie de hidroxid de potasiu. 3ateria de mercurproduce circa =.%8.
1cumulatorul cu plumb este o pila cu electrolit lichid realizat pentruprima oara+ in anul =7BF+ de inginerul francez @aston Plant.
Electrodul negativ este format dintrun gratar de plumb cu ochiurileumplute cu plumb spongios+ iar electrodul pozitiv este construit tot dintrun gratar de plumb cu ochiurile umplute cu dioxid de plumb. Electrolituleste acid sulfuric de concentratie 75 (p = =+2F gGcm ) pentruacumulatorul incarcat.
An timpul functionarii acumulatorului+ cnd acesta debiteaza curentelectric+ la cei doi electrozi au loc procesele care pot , reprezentate prinecuatiile:
Deactia totala presupune transformarea Pb si a Pb4 2 in Pb#$ % prin
consumarea acidului sulfuric.
<a ambii electrozi se formeaza Pb#$ % insolubil+ care adera la placi+ sesulfateaza. @ranulele ,ne de Pb#$ % formate initial se maresc in timpulfunctionarii+ astfel incat randamentul acumulatorului scade.
#e poate constata daca un acumulator este incarcat sau nu prinmasurarea concentratiei acidului sulfuric+ mai precis prin determinarea
1cumulatorul poate , reincarcat prin conectarea acestuia la o sursa decurent continuu astfel+ inct curentul debitat de sursa sa aibH sens opuscelui debitat de acumulator; la electrozi se produc astfel reactiile inversecelor indicate.
.e.m. a unei cebule este de aproximativ 28. recvent se utilizeazabaterii formate din trei sau sase celule legate in serie pentru a produce 68 sau =2 8.
An afara acumulatorilor cu plumb se utilizeaza acumulatoare alcaline detip ie si i Cd. 1cestea prezintH avanta'ul ca permit desfasurarea unuinumHr mare de descarcIri incarcari fara deteriorarea placilor.
$ateria de acid de #lumb
1cumulatorul care poate , re-ncarcat prin inversarea reactiei chimice+ afost inventat in =7BF de ,zicianul francez @aston Plante. 3ateria lui Planteera una din acid de plumb+ un tip larg folosit astazi.
3ateria de acid de plumb+ care consta din trei sau sase baterii
conectate -n serie+ este folosita la automobile+ camioane si alte vehicule+marele ei avanta' este ca poate transmite un curent puternic deelectricitate pentru a porni un motor+ insa se descarca repede. Electrolituleste o solutie diluata de acid sulfuric+ electrodul negativ este din plumb sicel pozitiv din dioxid de plumb.
3ateria de acid de plumb are o functionare buna timp de aproape % anisi produce 28 pe celula.
$ateria Edison
Jn alt acumulator mult folosit este bateria alcalina sau bateria nichel ,er+ dezvoltata de inventatorul american >homas Edison -n = F44.Electrodul negativ din ,er+ cel pozitiv din oxid de nichel si electrolitul esteo solutie de hidroxid de potasiu. 1re dezavanta'ul de a emana hidrogen intimpul -ncarcarii.
1ceasta baterie este folosita -n principal in aplicatii -n industria grea.3ateria Edison functioneaza bine timp de =4 ani si produce circa =.=B8.
$ baterie alcalina similara bateriei Edison este celula nichelcadmiu
sau bateria de cadmiu+ -n care electrodul de ,er este -nlocuit cu unul dincadmiu. unctioneaza timp de 2B de ani si produce circa =.=B 8.
Jn numar de noi tipuri de baterii a fost creat pentru utilizarea -nvehiculele electrice. 8ersiuni imbunatatite ale bateriilor de stocareconventionale au fost dezvoltate pentru masini electrice+ dar audezavanta'ele de a avea ,e o raza scurta sau cost ridicat+ ,e greutatemare sau probleme legate de mediu. 3aterii avansate care par
promitatoare pentru utilizatea -n vehicule electrice sunt cele litiu % sulfatde &er+ zinc clor+ natriu sulf+ nichel%hidrura de metal.
Pile de combustie
An pilele de combustie procesul de oxidoreducere are loc prin ardereacombustibililor (hidrogen+ metanol+ oxid de carbon+ unele hidrocarburi).
<a anod+ denumit si electrod de combustibil+ are loc oxidarea
combustibilibor+ proces prin care se elibereaza electroni in circuitulexterior.
<a catod+ denumit si electrod de oxigen+ are loc reducerea oxigenuluimolecular.
0i,cultatea construirii pilelor de acest tip consta in faptul ca oxidareacombustibililor necesitH temperaturi ridicate+ conditii in care containerul sielectrozii se corodeaza. ecesitatea furnizarii caldurii pentru a mentinepila la temperaturi ridicate scade e,cienta utilizarii acestui tip de pile. Ceamai cunoscuta pila de combustie este pila hidrogenoxigen.
An aceasta pila are loc arderea hidrogenului in oxigen (sintezacontrolata a apei) in urma careia se dega'H caldura si se elibereazaenergie electricH.
Kidrogenul (combustibilul) si oxigenul (oxidantul) se introduc in douacompartimente diferite+ separate de un electrolit. @azele sunt trecute prinelectrozi de carbune comprimat in care sau incorporat catalizatorii.Elementul galvanic se reprezinta astfel:
Pentru functionarea e,cienta a pilei hidrogenoxigen trebuieindepartate apa formata si caldura. An pila pentru ,ecare LM ora deenergie se produce =< de apa.
