ЭДС и напряжение источника электрической энергии

 

Для того чтобы разобраться что такое электродвижущая сила источника электрической энергии, необходимо вспомнить, что представляет собой электрический ток и за счёт чего происходит его движение в электрической цепи.

Известно, электрический ток движется в цепи за счёт разницы потенциалов. Для того чтобы движение тока не прекращалось, нужно непрерывно обеспечивать эту разницу потенциалов между полюсами источника напряжения, к которому подключена цепь.

Подобное явление можно сравнить с трубкой, которая соединена с двумя резервуарами с водой. Если в этих резервуарах будет разный уровень воды, то она непременно начнёт перетекать через трубку из одного сосуда в другой и наоборот; так если разница в уровне воды между сосудами будет постоянной, то и движение воды не прекратиться.

Данный пример помогает понять, что происходит в электрической цепи. Электрическая энергия, действующая внутри источника, постоянно поддерживает электрический ток. Таким образом, обеспечивается непрерывная работа.

Понятие «Электродвижущая сила»

В данном случае, электродвижущая сила (ЭДС) – это сила, которая поддерживает разницу потенциалов на разных полюсах источника энергии, она вызывает и поддерживает движение тока, а также преодолевает внутренне сопротивление проводника и т. д.

Ток может протекать по проводнику столь же долго, сколь существует разница потенциалов. Свободные электроны приходят в постоянное движение между телами, которые соединены в электрическую цепь.

Электродвижущая сила – величина физическая, т. е., её можно измерить и использовать как одну из характеристик электрической цепи. В источниках постоянного, либо переменного тока ЭДС характеризует работу непотенциальных сил. Это работа сторонних или непотенциальных сил в замкнутом контуре, когда они перемещают одиночный электрический заряд вдоль всего контура.

Возникновение электродвижущей силы

Существует различные виды источников электрической энергии. Каждый из них можно охарактеризовать по-разному, у каждого вида свои принципиальные особенности. Эти особенности влияют на возникновение электродвижущей силы, причины данного явления весьма специфичны, т. е. зависят от вида источника.

В чём же главная суть различий? К примеру, если мы берём химические источники электрической энергии, такие как аккумуляторы, другие гальванические элементы, то электродвижущая сила становится результатом химической реакции. Если рассмотреть генераторы, то здесь причиной является электромагнитная индукция, а в различных термических элементах основой является тепловая энергия. От этого возникает электрический ток.

Измерение электродвижущей силы

Электродвижущая сила измеряется в вольтах, также как и напряжение. Эти величины связаны между собой. Однако ЭДС можно измерять на отдельном участке электрической цепи, тогда будут измеряться работы не всех сил, действующих на этом контуре, а только те, которые есть на отдельно взятом участке цепи.

Разность потенциалов, являющуюся причиной возникновения и прохождения тока по цепи, также можно назвать напряжением. Однако, если ЭДС – работа сторонних сил, которая совершается при перемещении единичного заряда, то она не может быть охарактеризована с помощью разницы потенциалов, т. е., напряжения, так как работа зависит от траектории движения заряда, эти силы непотенциальны. В этом различие таких понятий как напряжение и электродвижущая сила.

Данная особенность учитывается при измерении ЭДС и напряжения. В обоих случаях используют вольтметры. Для того чтобы измерить ЭДС нужно при разомкнутой внешней цепи подключить вольтметр к концам источника энергии. Если требуется измерить напряжение на выбранном участке электрической цепи, то вольтметр должен быть подключён параллельно к концам конкретного участка.

ЭДС и напряжение источника электрической энергии могут быть независимо от величины электрического тока в цепи; в разомкнутой цепи ток равен нулю. Однако если генератор или аккумулятор будут работать, то они возбуждают ЭДС, а значит, между концами возникает напряжение.

Итак, величина эдс индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром.

Зависит только от скорости изменения потока магнитной индукции

46. Как выглядит закон Ленца для тока в контуре?

Ленц установил закон, определяющий направление индукционного тока в катушке, а следовательно, и направление ЭДС индукции. ЭДС индукции, возникающая в катушке при изменении в ней магнитного потока, создает в катушке ток такого направления, при котором магнитный поток катушки, созданный этим током, препятствует изменению постороннего магнитного потока.

46. Что такое потокосцепление, чему равна эдс катушки, если каждый ее виток сцеплен с одинаковым магнитным потоком?

Потокосцепле́ние (полный магнитный поток) — физическая величина, представляющая собой суммарный магнитный поток, сцепляющийся со всеми витками катушки индуктивности.

Если каждый виток сцеплен с одинаковым магнитным потоком, то ЭДС катушки составит

,

а её потокосцепление

.

Поток через контур, созданный током самого этого контура, образует потокосцепление, называемое потокосцеплением самоиндукции. При изменении этого потока в контуре индуцируется ЭДС самоиндукции,

,

где L_к – коэффициент самоиндукции или собственная индуктивность k-го контура,

46. Что такое вихревые токи, возникают ли они при постоянном и переменном магнитном потоке?

Вихревыми токами (также токами Фуко) называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока.

 

Токи Фуко могут иметь место при воздействии на проводникпеременного магнитного поля, либо при перемещении проводника в статическом магнитном поле.

46. Что такое потокосцепление самоиндукции?

Потокосцепление самоиндукции — потокосцепление элемента электрической цепи, обусловленное электрическим током в этом элементе

46. Что такое индуктивность?

Индуктивность — это способность извлекать энергию из источника электрического тока и сохранять ее в виде магнитного поля.

ИНДУКТИВНОСТЬ, физическая величина, характеризующая магнитные свойства электрических цепей и равная отношению потока Ф магнитной индукции, пересекающего поверхность, ограниченную проводящим контуром, к силе тока в этом контуре, создающем Ф; в СИ измеряется в генри.

46. Что такое эдс самоиндукции и как она связана с индуктивностью?

Изменяющийся по величине ток всегда создает изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, всегда индуктирует ЭДС. При всяком изменении тока в катушке (или вообще в проводнике) в ней самой индуктируется 

ЭДС самоиндукции.

Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока(переменного) 

.

46. Почему при подключении цепи с сопротивлением и индуктивностью к источнику постоянной эдс ток не сразу достигает максимального значения, как выглядит закон Кирхгофа для этого случая и графики изменения тока и эдс самоиндукции катушки?

Рассмотрим переходные процессы в цепи, содержащей последовательно соединенные резистор R и индуктивность L . Уравнение Кирхгофа для такой цепи

,

где u = u(t) — напряжение на входе цепи. Найдем решение этого уравнения для свободной составляющей тока, т.е. при u = 0, в виде i_с = Ie^pt . Для этого подставим выражение для тока в исходное уравнение и найдем значение p

.

Выражение Lp + R=0 представляет собой характеристическое уравнение, которое могло быть получено без подстановки общего выражения для свободной составляющей формальной заменой в однородном дифференциальном уравнении производных тока на p^k, где k — порядок производной.

Таким образом, общее решение для тока при переходном процессе в 

R-L цепи можно представить в виде

(1)

где  = 1/|p| = L/R — постоянная времени переходного процесса; I — постоянная интегрирования, определяемая по начальным значениям; i — установившийся ток в цепи, определяемый по параметрам R и L и напряжению на входеu.

Длительность переходного процесса в цепи, определяемая значением  , возрастает с увеличением L и уменьшением R.

Рассмотрим подключение 

R—L цепи к источнику постоянной ЭДС E (рис. 1 а)).

Установившийся ток в этой цепи будет определяться только ЭДС E и резистивным сопротивлением R, т.к. после окончания переходного процесса i = const и u_L = Ldi/dt = 0, т.е. i_у = E/R .

Полный ток в переходном процессе из выражения (1)

.

Для определения постоянной I найдем начальное тока. До замыкания ключа ток очевидно был нулевым, а т.к. подключаемая цепь содержит индуктивность, ток в которой не может измениться скачкообразно, то в первый момент после коммутации ток останется нулевым. Отсюда

.

Подставляя найденное значение постоянной I в выражение для тока, получим

.

(2)

Из этого выражения можно определить падения напряжения на резисторе u_R и индуктивности u_L

(3)

Из выражений (1)-(3) следует, что ток в цепи нарастает по экспоненте с постоянной времени  = L/R от нулевого до значения E/R (рис. 1 б)). Падение напряжения на сопротивлении u_R повторяет кривую тока в измененном масштабе. Напряжение на индуктивности u_L в момент коммутации скачкообразно возрастает от нуля до E , а затем снижается до нуля по экспоненте (рис. 1 б)).

Подставляя выражения (3) в уравнение Кирхгофа для цепи после коммутации, можно убедиться в его справедливости в любой момент времени

.

ЭДС клетки – определение, формулы, расчет, методы

Электродвижущая сила клетки или ЭДС клетки – это максимальная разность потенциалов между двумя электродами клетки.

Его также можно определить как суммарное напряжение между полуреакциями окисления и восстановления. ЭДС элемента в основном используется для определения того, является ли гальванический элемент гальваническим или нет.

В этом уроке мы узнаем больше об этой теме, включая важные формулы и способы расчета ЭДС электрохимической ячейки.

Что такое электрохимическая ячейка?

Электрохимический элемент — это устройство, вырабатывающее электричество в результате химической реакции. По существу, его можно определить как устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую. Химическая реакция, которая включает обмен электронами, необходима для работы электрохимической ячейки. Такие реакции называются окислительно-восстановительными реакциями.

Ячейка характеризуется своим напряжением. Ячейка определенного типа генерирует одинаковое напряжение независимо от размера ячейки. Единственное, что зависит от напряжения ячейки, это химический состав ячейки, если ячейка работает в идеальных условиях.

Обычно напряжение элемента может отличаться от этого идеального значения из-за нескольких факторов, таких как разница температур, изменение концентрации и т. д. Уравнение Нернста, сформулированное Вальтером Нернстом, может использоваться для расчета значения ЭДС данного элемента при условии, что стандарт клеточный потенциал клетки.

Типы электрохимических ячеек

Гальванический элемент

Гальванический элемент назван в честь итальянского ученого Луиджи Гальвани. Гальванический элемент является важным электрохимическим элементом, который составляет основу многих других электрохимических элементов, таких как элемент Даниэля. Он состоит из двух разных металлических проводников, называемых электродами, погруженных в собственные ионные растворы. Каждая из этих компоновок представляет собой полуклетку. В одиночку полуячейка не способна генерировать разность потенциалов. Но вместе они создают разность потенциалов. Солевой мост используется для химического соединения двух клеток.

Он подает необходимое количество электронов в полуячейку с дефицитом электронов и принимает электроны от полуячейки, богатой электронами.

Подробнее: Гальванический элемент

Для простоты понимания давайте рассмотрим теорию клетки Даниэля и выведем для нее уравнение Нернста.

Дэниел Сотовый

Ячейка Даниэля

представляет собой адаптацию гальванического элемента. Он состоит из цинкового и медного электродов, погруженных в растворы сульфата цинка и сульфата меди соответственно. Две полуклетки соединены между собой с помощью солевого мостика. В качестве анода выступает цинковый электрод, а в качестве катода — медь.

Металлический цинк занимает первое место в электрохимическом ряду по сравнению с металлической медью из-за более высокого значения окислительного потенциала металла. Следовательно, цинк подвергается окислению, следовательно, образуются два электрона и ион цинка. Этот электрод приобретает отрицательный потенциал из-за высвобождения электронов по сравнению с другим электродом. Мы называем это анодом.

Однако медь подвергается восстановлению из-за ее более высокого восстановительного потенциала. Ион меди в растворе медной полуячейки принимает два электрона от электрода, становится металлической медью и осаждается на электроде. Поскольку этот электрод потребляет электроны, мы рассматриваем этот электрод как положительный электрод и называем его катодом.

Анодная реакция представлена ​​следующим образом:

Zn _(т) → Zn ²⁺ (водн.) + 2e ^–

Катодная реакция представлена ​​следующим образом:

Cu ²⁺ (водн.) +2e ^– → Cu _(т)

Комбинированная клеточная реакция или общая клеточная реакция выглядит следующим образом:

Zn _(т) + Cu ²⁺ (водн.) → Zn ²⁺ (водн.) + Cu _(т)

Потенциал электрода

Когда металлический электрод погружают в раствор, содержащий его собственные ионы, на границе раздела возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов называется электродным потенциалом.

Рассмотрим случай с цинковым электродом, погруженным в раствор сульфата цинка. Металлический цинк окисляется, высвобождая два электрона, становится и рассеивается в растворе. Наличие электронов на электроде и ионов в растворе создает разность потенциалов. Точно так же медь развивает положительный потенциал. Сочетание этих двух клеток обусловлено клеточным потенциалом.

В действительности мы не в состоянии определить потенциал отдельной полуклетки в одиночку. Для определения потенциала одной полуячейки всегда нужна стандартная полуячейка, значение потенциала которой уже известно. Эта стандартная полуячейка затем соединяется с неизвестной полуячейкой для определения общего потенциала.

Этот общий потенциал представляет собой разность между потенциалами двух полуячеек. Стандартный водородный электрод (SHE) является примером такой стандартной полуэлемента. Потенциальное значение SHE изначально установлено на ноль вольт. Стандартный водородный электрод соединяется с неизвестной полуячейкой и измеряется разность потенциалов. Так как SHE имеет ноль вольт, измеренным значением будет разность потенциалов неизвестной полуэлемента.

На рисунке ниже показан метод определения стандартного электродного потенциала цинка.

Электрохимическая серия

Аналогичным образом рассчитываются стандартные значения потенциалов различных металлов и располагаются в порядке возрастания потенциала, получается электрохимический ряд.

Электрохимические серии необходимы для определения клеточного потенциала. Это также помогает в выборе электродных металлов для конструкции ячейки.

В таблице электрохимических рядов показано расположение нескольких элементов в порядке возрастания их восстановительного потенциала. Литий обычно имеет наименьший восстановительный потенциал, а фтор — наибольший. Водород имеет нулевой восстановительный потенциал. Это связано с тем, что все другие элементы сравниваются с водородом, чтобы получить их стандартный электродный потенциал.

Изображение электрохимической ячейки

Электрохимическая ячейка может быть представлена ​​с помощью специальных обозначений. Это полезно для понимания состава, а также его количества в клетке.

Данную выше ячейку Даниэля можно представить следующим образом;

цинк | Zn ²⁺ (1M) || Cu ²⁺ (1M) | Cu

Давайте разберем это и поймем его компоненты:

● Левая часть обозначения представляет собой анод. На аноде Zn превращается в за счет высвобождения набора из двух электронов на атом цинка. Поскольку используемый раствор имеет концентрацию 1 М, мы также включаем его в представление

.

цинк | Zn ²⁺ (1M)

● Справа катод. Здесь электролит поглощает пару электронов с электрода и превращается в металлическую медь. Как и прежде, мы используем 1М раствор сульфата меди.

Cu ²⁺ (1M) | Cu

● Эти две полуэлемента объединены с помощью солевого мостика. Солевой мост представлен двумя вертикальными полосами.

цинк | Zn ²⁺ (1M) || Cu ²⁺ (1M) | Cu

Определение клеточного потенциала электрохимической ячейки

Потенциал ячейки или ЭДС гальванической ячейки можно рассчитать, взяв значения электродных потенциалов двух полуячеек. Обычно для расчета можно использовать три метода:

• Принимая во внимание окислительный потенциал анода и восстановительный потенциал катода.
• Принимая во внимание восстановительные потенциалы обоих электродов.
• Измерив потенциалы окисления обоих электродов.

Стандартный потенциал клетки (ΔE ^o ) гальванического элемента можно рассчитать, рассматривая стандартные восстановительные потенциалы двух полуэлементов E ^o .

E ^o _ячейка = E ^o _{красный} + E ^o _ox

или

E ^o _ячейка = E ^o _Катод + E ^o _Анод

Потенциал ячейки гальванического элемента = Потенциал правой половины ячейки (катод) – Потенциал левой половины ячейки (анод).

В случае ячейки Даниэля;

Потенциал клетки Даниэля клетка = E _клетка = E _cu ²⁺ | _Cu – E _zn | _Цинк ²⁺

Уравнение Нернста связывает потенциал равновесного состояния полуэлемента со стандартным электродным потенциалом полуэлемента, температурой, коэффициентами реакции, а также активностью реагирующих частиц.

Для электродной реакции M ⁿ⁺ + n e ^– → М _(с) ;

ЭДС равновесного состояния определяется выражением;

Где E _M ⁿ⁺ | _M – потенциал половины клетки, E ^O _M ⁿ⁺ | _M — стандартный электродный потенциал полуэлемента, [ M ] — молярная концентрация металла, [ M ⁿ⁺ ] — молярная концентрация иона металла, R — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/К /моль), T — температура в градусах Кельвина, n — число электронов, участвующих в реакции, F — постоянная Фарадея (96500 Кл/моль).

Читайте также: Электрохимия

Молярная концентрация металлического твердого вещества обычно принимается за единицу. Следовательно;

[ М ] = 1

Теперь подставьте значения R, F, T = 298K (комнатная температура) в приведенное выше уравнение, и мы получим новое уравнение;

E _M ⁿ⁺ | _M = , E ^O _M ⁿ⁺ | _M – 0,059 / n X log 1 / [ M ⁿ⁺ ]

Рассмотрим произвольную ячейку с двумя металлами M и N. Также предположим, что M имеет больший восстановительный потенциал, чем N. Следовательно, M образует катод, а N образует анод.

Следовательно, Анодная реакция;

N → N ⁿ⁺ + ne ^–

Катодная реакция;

M ⁿ⁺ + ne ^– → M

Мы знаем;

Потенциал ячейки гальванического элемента = Потенциал правой половины ячейки (катод) – Потенциал левой половины ячейки (анод).

ЭДС катодной полуэлемента;

E _M ⁿ⁺ | _М = , Е ^О _М ^н+ | _M – 0,059 / n X log 1 / [ M ⁿ⁺ ]

ЭДС анодной полуэлемента;

E _N ⁿ⁺ | _N = , E ^O _N ⁿ⁺ | _N – 0,059 / n X log 1 / [ N ⁿ⁺ ]

Следовательно, потенциал ячейки гальванического элемента равен;

У нас есть;

E ^O _M ⁿ⁺ | _М – Е ^О _Н ⁿ⁺ | _N = E ^O _ячейка

Это стандартный потенциал гальванического элемента в условиях STP.

Следовательно, мы перепишем это как;

E _ячейка = E ^O _ячейка + 0,059 / n X log [ M ⁿ⁺ ] / [ N ⁿ⁺ ]

Для ячейки Даниэля:

Число электронов, участвующих в процессе, равно 2, следовательно, n = 2.

Е _ячейка = Е ^О _ячейка + 0,059 / 2 X log [Cu ²⁺ ] / [Zn ²⁺ ]

Из электрохимического ряда;

E ^O _ячейка = E ^O _катод – E ^O _анод = E _Cu ²⁺ | _Cu = , E ^O _Zn ²⁺ | _Zn = 0,34 – (-0,76) = 1,1 В

Подставляем это значение и получаем;

E _ячейка = 1,1 + 0,059/ 2 X log [Cu ²⁺ ] / [ Zn ²⁺ ]

Решенные примеры

1. Рассчитайте ЭДС приведенной ниже окислительно-восстановительной реакции.

Mg (т) + 2H ⁺ (водн.) → Mg ²⁺ (водн.) + H ₂  (г)

Решение:

Этап 1: Разделите реакцию на окисление и восстановление полуэлементной реакции

2H ⁺  + 2e ^–  → H ₂

Ион водорода принимает электрон с образованием газообразного водорода (реакция восстановления).

Магний окисляется, теряя два электрона

Mg → Mg ²⁺  + 2 e ^–

Шаг 2: Найдите стандартный восстановительный потенциал полуклеточной реакции

E ⁰ (Уменьшение) = 0,0000 В

E ⁰  (Окисление) = -2,372 В

E ⁰  (Окисление) = – E ⁰  (Восстановление)

= +2,372 В

Шаг 3: Расчет полной ЭДС ячейки

E ⁰ (Клетка) = E ⁰  (Восстановление) + E ⁰  (Окисление)

E ⁰ (ячейка) = 0,0000 В + 2,372 В

E ⁰ (ячейка) = 2,372 В

ЭДС окислительно-восстановительной реакции составляет +2,372 вольта.

2. Рассчитайте потенциал следующей окислительно-восстановительной реакции?

Ag|Ag ⁺ ||Li ⁺ |Li

Решение:

Шаг 1: Разбейте реакцию на реакцию полуэлемента окисления и восстановления

Li ⁺ + e ^–  → Li (реакция восстановления)

Ag → Ag ⁺ + e ^– (реакция окисления)

Шаг 2: Найдите стандартный потенциал восстановления полуклеточной реакции

E ⁰  (Уменьшение) = -3,045 В

E ⁰  (Окисление) = −0,799 В

Шаг 3: Рассчитать полную ЭДС ячейки

E ⁰ (Клетка) = E ⁰  (Восстановление) + E ⁰  (Окисление)

E ⁰ (ячейка) = -3,045 В -0,799 В

E ⁰ (ячейка) = -3,844 В

Суммарный потенциал ячейки составляет -3,844 В, а отрицательный потенциал указывает на спонтанную обратную реакцию.

3. Рассмотрим окислительно-восстановительную реакцию

2Ag ⁺ + Cd → 2Ag + Cd ²⁺

Стандартный электродный потенциал реакций восстановления и окисления составляет + 0,80 В и -0,40 В соответственно. Рассчитайте стандартный потенциал реакции.

Решение: 

Этап 1: Учет реакций половинной ячейки

2Ag ⁺ + 2e ^–  → 2Ag (восстановление)

E ^o _{Ag ⁺ / Ag} = 0,80 В

Cd → Cd ²⁺   + 2e ^– (Окисление)

E ^o _{Cd ⁺ /Cd}  = -0,40 В

Шаг 2: Суммарная ЭДС ячейки

E ^o  = E (восстановление) + E (окисление)

E ^или = 0,40 В + +0,80 В

E ^или = 1,20 В

Суммарная ЭДС окислительно-восстановительной реакции составляет 1,20 В.

Часто задаваемые вопросы по ЭДС клетки

Запишите единицу ЭДС в СИ?

Электродвижущая сила не является силой, несмотря на ее название. Обычно он измеряется в вольтах, что равно одному джоулю на кулон электрического заряда в системе МКС.

Что такое ЭДС клетки?

Электродвижущая сила, или ЭДС, представляет собой количество энергии, необходимое для перемещения единичного положительного заряда по внешней цепи, подключенной к ячейке. Джоуль на кулон — это единица измерения электродвижущей силы, часто называемая ЭДС.

Электродвижущая сила (ЭДС) — это сила или энергия?

Любой источник электроэнергии, такой как батарея или фотогальванический элемент, создает напряжение, известное как электродвижущая сила (ЭДС). Термин «сила» вводит в заблуждение, потому что ЭДС — это «потенциал» для обеспечения энергии, а не силы.

 

Измерение ЭДС гальванического элемента

ЭДС, обозначающая электродвижущую силу, представляет собой наибольшую возможную разность потенциалов между двумя электродами гальванического элемента при отсутствии тока. Он измеряется с помощью суммарного напряжения между полуреакциями окисления и восстановления.

Измерение ЭДС гальванического элемента может помочь вам определить, является ли он гальваническим, то есть есть ли в нем электрический ток. Это также очень полезно при проектировании аккумуляторов, поскольку позволяет рассчитать, сколько элементов необходимо для достижения определенного напряжения.

Читайте дальше, чтобы узнать больше об электрохимических элементах и ​​о том, как рассчитать и измерить электродвижущую силу.

В этом посте:

Что такое гальванический элемент?

Электрохимическая ячейка — это инструмент, который вы можете использовать либо для получения электричества в результате химической реакции, либо для создания химической реакции.

Батарея состоит из одного или нескольких гальванических элементов. Эти ячейки производят электрический потенциал или напряжение, которое становится электрическим током, когда к ним подключена нагрузка. Сила электрического потенциала и тока зависит от химических реакций в клетках и используемых материалов.

Химические реакции в электрохимических элементах включают перенос электронов между электродами. Проще говоря, один электрод отдает электроны, а другой принимает электроны. Электрод, который спонтанно отдает электроны, известен как анод, и именно здесь происходит реакция окисления. Анод действует как отрицательный электрод в гальваническом элементе и положительный электрод в электролитической ячейке.

Между тем, электрод, который спонтанно притягивает электроны, называется катодом. Здесь происходит реакция восстановления. Катод служит положительным электродом в гальваническом элементе и отрицательным электродом в электролитическом элементе, как показано на диаграмме ниже.

Сила напряжения зависит от того, как расположены элементы и от того, соединены ли они параллельно или последовательно. В то время как размер не имеет отношения к чистому напряжению, электрическая емкость прямо пропорциональна размеру ячеек.

Вы можете рассчитать электродвижущую силу ячейки на основе типа материала, используемого в качестве электрода. Однако стоит отметить, что расчетное идеальное значение обычно отличается от фактического измеренного значения из-за таких переменных, как температура и концентрация электролита.

Из каких компонентов состоит гальванический элемент?

Электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, раствора электролита, перемычки и контейнера. Вы можете создать простую электрохимическую ячейку, используя лимон и два электрода из разных типов металлов. Наиболее распространенными металлами, используемыми в качестве электродов в лабораторных экспериментах, являются медь и цинк.

Что такое электрохимический потенциал клетки?

Электрохимический потенциал клетки представляет собой разность потенциалов между двумя полуэлементами. Он основан на потенциале напряжения электродов, который прямо пропорционален их склонности отдавать или получать электроны.

Что такое ЭДС электрического элемента?

ЭДС (электродвижущая сила) электрического элемента является мерой его электрического потенциала или напряжения. По сути, это разница между реакционными потенциалами полуэлементов двух разных электродов.

Вы можете думать об ЭДС как о потенциальной энергии электрической ячейки. Должен существовать более высокий уровень, с которого электрический ток может течь на нижний уровень. Поскольку для одного электрода требуется более высокая степень окисления, чем для другого, у вас не может быть двух электродов из одного и того же материала.

Один электрод должен служить катодом, из которого будут спонтанно удаляться электроны (известная как реакция окисления), в то время как другой действует как анод, к которому должны добавляться электроны (реакция восстановления).

В каком направлении движутся электроны в электрохимической ячейке?

При значительной разнице в степени окисления двух разных материалов ток может течь от электрода с более высокой степенью окисления к электроду с более низкой степенью окисления. Как в гальванических, так и в электролитических элементах электроны всегда текут от анода к катоду (хотя в электролитической ячейке соответствующие заряды электродов меняются местами).

В гальванических элементах электроды состоят из разных металлов с разной степенью окисления, которые реагируют с электролитом. В то время как реакции окисления в гальванических элементах протекают самопроизвольно, реакции окисления в электролитических элементах — нет. Вместо этого они требуют ввода электроэнергии от внешнего источника питания. Гальванический элемент или батарея сама по себе является источником энергии.

Как рассчитать электродвижущую силу (ЭДС)

Рассчитать электродвижущую силу или электрический потенциал клетки относительно просто. Вам просто нужно вычесть более низкий потенциал окисления из более высокого потенциала окисления.

Окислительный потенциал может быть как положительным, так и отрицательным. То, что имеет более низкий окислительный потенциал, также имеет более высокий восстановительный потенциал. Это означает, что даже если электрод имеет положительную степень окисления, он также может служить восстановительным электродом или катодом, если он имеет более низкую положительную степень.

Чтобы рассчитать электродвижущую силу, вы можете либо обратиться к таблице потенциалов окисления/восстановления, либо записать полуреакции на основе периодической таблицы элементов. Затем вы можете использовать приведенную выше формулу для определения ЭДС ячейки с учетом материалов, используемых в качестве электродов.

Резюме 

Электродвижущая сила (ЭДС) клетки представляет собой меру ее электрического потенциала, который обычно выражается в виде напряжения. Различные типы металлов и других материалов имеют соответствующий электрический потенциал, который зависит от степени окисления. Рассчитать ЭДС электрохимического элемента можно с помощью таблицы стандартных восстановительных потенциалов или периодической таблицы элементов.

Отказ от ответственности

Блог на сайтеchemicals.