Гальванический элемент алюминий медь уравнения

Растворение едкого кали (гидроксид калия) в воде

Электродами служили медная и алюминиевая проволоки, подключенные к тестеру. Для удобства оба электрода были примотаны изолентой к деревянной прищепке. Я имел неосторожность прикоснуться к прищепке влажной рукой, на которую попал раствор щелочи. Этого оказалось достаточно, чтобы запустить гальванический элемент: дерево пропиталось раствором щелочи, причем смоченное место одновременно соприкасалось с медью и алюминием. В результате тестер показал потенциал около 50 мВ (0.05 В) — еще до того, как я опустил электроды в щелочь.

Когда опустил электроды, потенциал в первые секунды был около 1200-1300 мВ (1.2-1.3 В), причем он быстро стал падать. Померил силу тока — 57 мА (0.057 А), ток также быстро падал: секунд за 20 ток упал ниже 10 мА (0.01 А). Снова переключил тестер на измерение напряжения: сначала напряжение было около 400 мВ, потом поднялось до 900. Таким образом, напряжение (и ток) нашего элемента были довольно значительны, но они быстро падают со временем, когда цепь замкнута (а именно, когда к гальваническому элементу подключен тестер, переключенный в режим измерения силы тока, а не напряжения [2].).

В процессе работы алюминий довольно активно реагировал со щелочью — с выделением водорода. Если цепь разомкнуть, но оставить электроды в растворе, алюминий, разумеется, не перестанет реагировать со щелочью, поэтому для прекращения работы гальванического элемента я поднял электроды из раствора. Через минуту снова опустил — чтобы посмотреть, какой будет потенциал. Оказалось, что потенциал стабилизировался на уровне около 900 мВ (0.9 В).
__________________________________________________
2 Я совсем не специалист в электротехнике, но коллега объяснил, что при измерении напряжения гальванического элемента с помощью тестера потенциал измеряемого гальванического элемента компенсируется направленным ему навстречу потенциалом батарейки тестера, в результате суммарный ток минимален (ресурс гальванического элемента «не расходуется»). В случае измерения силы тока с помощью тестера, ток в цепи максимален (что сильно «садит» исследуемый гальванический элемент) [K1].

Гальванический элемент медь — алюминий — едкое кали.
Напряжение, мВ

Сила тока, мА

Сила тока, мА

Напряжение, мВ

Напряжение, мВ

Тестер — это, конечно, хорошо, но хотелось подключить к гальваническому элементу какой-то устройство, работающее от электрического тока. Например, светодиод. У коллеги оказалось сразу несколько красных светодиодов средних размеров. Но какое нужно минимально напряжение, чтобы светодиод мог светиться? Коллега сказал, что вольта два. Решили проверить: коллега подключил диод к блоку питания с регулируемым напряжением. Поднимаем напряжение — ноль эффекта. Коллега вспомнил, что светодиод — это диод (простите за каламбур), а диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Этим светодиод отличается от электрической лампы накаливания. Поменяли полярность — диод загорелся.

Оказалось, что минимальное необходимое напряжение — около 1.7 В, а при 2 В диод горит гораздо ярче. Коллега загнул положительный контакт светодиода, чтобы он отличался от отрицательного. К положительному контакту светодиода следует подключить медный электрод гальванического элемента (+), к отрицательному контакту — алюминиевый (-) электрод.

Если минимальное напряжение — 1.7 В, то одного гальванического элемента медь — алюминий — щелочь явно мало. Нужно, как минимум, два. Взял бюкс, перелил в него часть раствора едкого кали со стакана, опустил в бюкс еще одну медную и одну алюминиевую проволоку. Получилось два гальванических элемента, соединил их последовательно — см. рисунок. Подключил светодиод (соблюдая полярность!)

В бюксе электроды опущены в электролит (щелочь), в стакане — подняты над поверхностью раствора — таким образом, цепь разомкнута. Чтобы замкнуть цепь, нужно опустить электроды в стакан с едким кали, а чтобы разомкнуть цепь, достаточно поднять электроды из стакана. Единственное, алюминий в бюксе постоянно опущен в раствор щелочи — и он будет реагировать: даже тогда, когда цепь разомкнута — так что время не ждет.

Опустил электроды в стакан, — замкнув цепь из двух гальванических элементов и одного светодиода. Светодиод загорелся. Сначала более ярко, потом — более тускло. Чтобы заснять свечение на видео, пришлось погасить свет в лаборатории (сначала — частично, потом — полностью).

После съемки свечения отсоединил светодиод, подключил тестер. Оказалось, что напряжение двух соединенных последовательно гальванических элементов около 1.8 В. — Не удивительно, почему диод светил тускло. С другой стороны, напряжение в 1.8 В ровно в два раза выше, чем напряжение единичного гальванического элемента медь — цинк — щелочь в прошлом опыте (0.9 В).

Гальванический элемент медь — алюминий — едкое кали и светодиод

К1 Вероятно, разные типы таких приборов имеют разный метод измерения напряжения. Вообще говоря, компенсационный метод не самый распространенный. Скорее всего, рядовые тестеры имеют простой высокоомный вход с операционным усилителем. Входное сопротивление и емкость прибора должны быть указаны в инструкции к нему, иногда — и на его корпусе. Для большинства тестеров в режиме вольтметра оно составляет 1-2 МОм (1-2·10 6 Ом) при емкости несколько десятков пФ. Таким образом, при напряжении гальванического элемента порядка 1 В в измерительной цепи будет протекать ток порядка 1 мкА.

К1-1 Утверждение, что потенциал измеряемого гальванического элемента компенсируется направленным ему навстречу потенциалом батарейки тестера, не соответствует действительности. Просто тестер в режиме измерения напряжения имеет очень высокое входное сопротивление, а значит — малый ток. Кроме того, ток элемента падает по причине поляризации.

Составьте схемы двух гальванических элементов, образованных электродами из алюминия и меди в паре со стандартным водородным электродом. Катодом или анодом являются электроды из алюминия и меди

Готовое решение: Заказ №8591

Тип работы: Задача

Статус: Выполнен (Зачтена преподавателем ВУЗа)

Предмет: Химия

Дата выполнения: 18.09.2020

Цена: 209 руб.

Чтобы получить решение , напишите мне в WhatsApp , оплатите, и я Вам вышлю файлы.

Кстати, если эта работа не по вашей теме или не по вашим данным , не расстраивайтесь, напишите мне в WhatsApp и закажите у меня новую работу , я смогу выполнить её в срок 1-3 дня!

Описание и исходные данные задания, 50% решения + фотография:

Составьте схемы двух гальванических элементов, образованных электродами из алюминия и меди в паре со стандартным водородным электродом. Катодом или анодом являются электроды из алюминия и меди в этих гальванических элементах? Рассчитайте значения стандартных ЭДС элементов, укажите процессы, протекающие на электродах

Решение :

Выпишем значения стандартных потенциалов:

В гальваническом элементе электрод с меньшим потенциалом – анод, с большим – катод

• Для защиты трущихся поверхностей гребных валов от коррозии применяют обшивки из бронзы (сплава меди с оловом). Составьте схему коррозии стального вала в морской воде при появлении в облицовке трещины.
• Карбонатная жесткость воды равна 0,5 мг-экв/л. Сколько граммов гидроксида кальция нужно добавить к 200 л такой воды, чтобы устранить ее жесткость?
• Запишите уравнения: а) закончите уравнения реакций в молекулярном виде, напишите ионные уравнения: Zn(OH)2 + HNO3 →, H2SO4 + NH4OH → б) Составьте молекулярные уравнения реакций: Ca2+ + СO32- = CaCO3
• Подберите коэффициенты реакции, укажите окислитель и восстановитель, составьте электронные уравнения

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Совместимость металлов или как избежать гальванической коррозии?

Контактная коррозия происходит при непосредственном контакте двух разнородных металлов. Нельзя, к примеру, соединять алюминиевые листы медной заклепкой, так как при определенных условиях они образуют сильную гальваническую пару.
Разные металлы имеют разные электродные потенциалы. В присутствии электролита один из них играет роль катода, а другой анода. В результате химической реакции, протекающей между ними, начнется коррозионный процесс, в котором медь (катод) будет беспощадно разрушать алюминий (анод).

Почти все пары разнородных металлов, находящиеся в контакте между собой, подвержены коррозии, так как даже влага из воздуха может выступить в роли электролита и активировать их электродный потенциал. Но одни пары уязвимы в большей степени, а другие – в меньшей.

Например, алюминий отлично контактирует с оцинкованной сталью, хромом и цинком, а латунь совершенно не «дружит» со сталью, алюминием и цинком. Чтобы узнать, какие металлы совместимы, а какие нет, обратимся к основам химии.

В ряду электрохимической активности металлы стоят в следующей последовательности:

Для примера рассмотрим пару алюминий – медь. Алюминий стоит в ряду слева от водорода и имеет электроотрицательный потенциал равный -1.7В, а медь находится справа и имеет положительный потенциал +0.4В. Большая разница потенциалов приводит к разрушению более активного алюминия. Медь сильнее всех, впереди стоящих элементов, поэтому в паре с любым из них она выйдет победителем. Чем дальше друг от друга в ряду стоят элементы, тем выше их несовместимость и вероятность протекания гальванической коррозии.

Данные о совместимости некоторых металлов представлены в таблице:

– абсолютно допустимые контакты (низкий риск ГК);
О
– ограничено допустимые контакты (средний риск ГК);
Н
– недопустимые контакты (высокий риск ГК).

Приведенная таблица может служить кратким справочником для определения совместимости некоторых конструкционных металлов. Допустимость и недопустимость контактов разнородных в электрохимическом отношении металлов устанавливает ГОСТ 9.005-72.

Пример недопустимых гальванических пар:

Гальваническое действие может возникнуть, если строительную конструкцию из нержавеющей стали скреплять оцинкованными болтами. В этой нежелательной паре пострадает высоко анодный крепеж, поскольку его электроны будут перемещаться в направлении катодной нержавеющей стали. Поэтому, крепежные детали должны быть изготовлены из менее гальванически активного металла, чем материал металлоконструкции.

На скорость течения гальванокоррозии оказывает влияние площадь поверхности анода и катода. Если большой по размеру анод соединить с маленьким катодом, то анод будет ржаветь медленно, а если сделать наоборот, то быстро. Например, используйте болты из нержавеющей стали для крепления алюминия, но не наоборот.

Степень интенсивности протекания контактной коррозии зависит и от условий эксплуатации соединения. В обычных атмосферных условиях процесс будет протекать менее быстро и возрастает в агрессивной электропроводной среде, например, растворах кислот и щелочей. Присутствие в воде других веществ увеличивает проводимость электролита и скорость коррозии. Поэтому при проектировании конструкций важна оценка окружающей среды.

Борьба с гальванической коррозией или технологии присоединения алюминия к меди

Медь и алюминий — два металла, наиболее часто используемые при изготовлении токопроводящих жил в кабельно-проводниковой продукции. Алюминий, в силу небольшой стоимости (порядка трех-четырех раз ниже стоимости меди) получил широкое распространение в производстве силовых кабелей. Однако этот металл обладает рядом особенностей и недостатков, оказывающих существенное влияние на качество и надежность электрического соединения. По своей электропроводимости алюминий значительно уступает меди, серебру и золоту, поэтому алюминиевая кабельная жила в сравнении с медной обладает более слабой способностью выдерживать длительные токовые нагрузки, что приходится компенсировать увеличением ее сечения. К недостаткам алюминия можно отнести его быструю окисляемость на открытом воздухе, в результате чего на поверхности проводника образуется тугоплавкая (с температурой плавления около 2000°С) окисная плёнка, обладающая высоким сопротивлением и плохо проводящая электрический ток.

Помимо этого в энергетике существует проблема подключения кабелей с алюминиевыми жилами к медным шинам электрических шкафов и медных устройств. Это связано с разными электрохимическими потенциалами меди и алюминия, которые, в свою очередь, под воздействием влажной агрессивной внешней среды образуют гальваническую пару. В результате электрокоррозии ухудшается качество контакта, как следствие, происходит нагрев места соединения и потеря электроэнергии. По этой причине контактные соединения Al и Cu необходимо защищать от проникновения влаги специальными пастами или наносить на них дополнительное покрытие (как правило — олово) для избегания прямого контакта двух разнородных металлов.

Cu2++2e = Cu | E = 0,34B Al3++3e = Al | E = -1,66B

На практике существуют следующие варианты присоединения алюминиевого наконечника к медной шине:

• Наиболее грамотным и профессиональным является монтаж с использованием биметаллических алюмомедных наконечников, контактная часть лопатки которых изготавливается из электротехнической меди, а хвостовик — из алюминия. Среди всех возможных модификаций алюмомедных наконечников наиболее надежными являются наконечники, изготовленные по технологии сварки трением
• Применение дополнительной прокладки в виде оцинкованной стальной шайбы уменьшает вероятность образования гальванической пары Al-Cu. Однако, использование стали с ее низкой электропроводимостью негативно сказывается на качестве контакта
• Абсолютно недопустимым, но, к сожалению, иногда используемым способом является прямое подключение алюминиевого наконечника к медной шине Однако помимо вышеупомянутых допустимых и недопустимых способов присоединения алюминиевых наконечников к электрическим аппаратам с медными шинами существует еще один экономный, практичный и профессионально грамотный метод монтаж с применением алюмомедной шайбы ШАМ (КВТ)
• Для обеспечения безопасного и долговечного подключения алюминиевых наконечников к медным шинам, во избежание прямого гальванического контакта, а также снижения себестоимости конструкции рекомендовано использование специальных алюмомедных шайб ШАМ производства электротехнического завода КВТ в качестве биметаллической прокладки между медной шиной и контактной лопаткой алюминиевого наконечника.

Использование данного продукта позволяет:

• Предотвратить гальваническую коррозию
• Полностью ликвидировать потери электроэнергии, возникающие при протекании процесса электротехнической коррозии между алюминием и медью
• Избежать перегревания места соединения
• Обеспечить быстрый и удобный монтаж за счет несложной конструкции
• Охватить несколько типоразмеров как алюминиевых, так и медных наконечников и шин
• Найти достойную и экономически выгодную альтернативу алюмомедным наконечникам

Принцип батареи

Гальваническая коррозия работает как батарея, которая состоит из двух электродов:

• катода, где происходит реакция восстановления
• анода, где происходит реакция окисления.

Эти два электрода погружены в проводящую жидкость, которая называется электролитом. Электролит – это обычно разбавленный кислотный раствор, например, серной кислоты, или соляной раствор, например, сульфат меди. Эти два электрода соединены снаружи электрической цепью, которая обеспечивает циркуляцию электронов. Внутри жидкости передача электрического тока происходит путем перемещения ионов. Жидкость, таким образом, обеспечивает ионное электрическое соединение (рисунок х).

Рисунок 1 – Принцип гальванической ячейки [3]

Рисунок 1 показывает ячейку, в которой электролитом является раствор серной кислоты. Серная кислота полностью диссоциирована в воде (поскольку является сильной кислотой) путем образования ионов Н + , которые определяют кислотность среды. Происходит следующая электрохимическая реакция [3]:

• цинковый анод окисляется:

на медном катоде восстанавливаются протоны Н + :

Полная реакция имеет вид:

Эта ячейка производит электричество за счет потребления цинка, который выделяется в виде гидроксида цинка Zn(OH)2.

Для работы ячейки необходимо одновременное выполнение трех условий:

• два различных металла, которые образуют два электрода;
• присутствие электролита;
• непрерывность всей электрической цепочки.

Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, например, если нарушается электрический контакт, то ячейка не будет производить электричество, и окисления на аноде не будет происходить (также как и восстановления на катоде).

Разновидности и особенности применения кабелей из алюминия

Силовые кабели с алюминиевой жилой, предлагаемые МТД «Энергорегионкомплект», служат для передачи и распределения электроэнергии в стационарных установках. Рассмотрим наиболее популярные разновидности таких кабелей и особенности их применения.

— кабель с алюминиевой жилой, с изоляцией и оболочкой из ПВХ пластиката, небронированный. Применяется для прокладки одиночных кабельных линий в кабельных сооружениях и помещениях.

— кабель с алюминиевой жилой, с изоляцией и оболочкой из ПВХ пластиката, небронированный с медным экраном под оболочкой. Применяется для прокладки одиночных кабельных линий в кабельных сооружениях и помещениях, в местах где к кабелю предъявляются более высокие требования к защите от электромагнитных помех.

— кабель с алюминиевой жилой, с изоляцией и оболочкой из ПВХ пластиката, бронированный стальными оцинкованными лентами, с защитным шлангом из ПВХ пластиката. Применяется для прокладки одиночных кабельных линий в кабельных сооружениях и помещениях, для прокладки в земле. В случаях, когда к кабелю предъявляются более высокие требования его сохранности от механических повреждений при монтаже и эксплуатации.

— кабель с алюминиевыми жилами, с изоляцией из сшитого полиэтилена, бронированный стальными оцинкованными лентами, с защитным шлангом из ПВХ пластиката. Применяется так же, как и кабель АВБШв, но в отличии от кабелей с ПВХ изоляцией имеет более высокую (+900С) допустимую температуру нагрева жил.

Коррозия алюминия

Для коррозии алюминия характерны следующие основные типы:

• непосредственное химическое воздействие (общая коррозия);
• электрохимическая (гальваническая) коррозия;
• точечная (питтинговая) коррозия;
• щелевая коррозия и коррозия под напряжением.

В зависимости от условий окружающей среды, нагружения и функционального назначения детали любой из видов коррозии может явиться причиной преждевременного разрушения. Кроме того, неправильное применение алюминиевых деталей и изделий может усугублять коррозионные процессы.

Тестер — это, конечно, хорошо, но хотелось подключить к гальваническому элементу какой-то устройство, работающее от электрического тока. Например, светодиод. У коллеги оказалось сразу несколько красных светодиодов средних размеров. Но какое нужно минимально напряжение, чтобы светодиод мог светиться? Коллега сказал, что вольта два. Решили проверить: коллега подключил диод к блоку питания с регулируемым напряжением. Поднимаем напряжение — ноль эффекта. Коллега вспомнил, что светодиод — это диод (простите за каламбур), а диод пропускает электрический ток только в одном направлении. Этим светодиод отличается от электрической лампы накаливания. Поменяли полярность — диод загорелся. Оказалось, что минимальное необходимое напряжение — около 1.7 В, а при 2 В диод горит гораздо ярче. Коллега загнул положительный контакт светодиода, чтобы он отличался от отрицательного. К положительному контакту светодиода следует подключить медный электрод гальванического элемента (+), к отрицательному контакту — алюминиевый (-) электрод.

Если минимальное напряжение — 1.7 В, то одного гальванического элемента медь — алюминий — щелочь

явно мало. Нужно, как минимум, два. Взял бюкс, перелил в него часть раствора едкого кали со стакана, опустил в бюкс еще одну медную и одну алюминиевую проволоку. Получилось два гальванических элемента, соединил их последовательно — см. рисунок. Подключил светодиод (соблюдая полярность!)

В бюксе электроды опущены в электролит (щелочь), в стакане — подняты над поверхностью раствора — таким образом, цепь разомкнута. Чтобы замкнуть цепь, нужно опустить электроды в стакан с едким кали, а чтобы разомкнуть цепь, достаточно поднять электроды из стакана. Единственное, алюминий в бюксе постоянно опущен в раствор щелочи — и он будет реагировать: даже тогда, когда цепь разомкнута — так что время не ждет.

Опустил электроды в стакан, — замкнув цепь из двух гальванических элементов и одного светодиода. Светодиод загорелся. Сначала более ярко, потом — более тускло. Чтобы заснять свечение на видео, пришлось погасить свет в лаборатории (сначала — частично, потом — полностью).

После съемки свечения отсоединил светодиод, подключил тестер. Оказалось, что напряжение двух соединенных последовательно гальванических элементов около 1.8 В. — Не удивительно, почему диод светил тускло. С другой стороны, напряжение в 1.8 В ровно в два раза выше, чем напряжение единичного гальванического элемента медь — цинк — щелочь

в прошлом опыте (0.9 В).

Условия для гальванической коррозии

Гальваническая коррозия основана на том же самом принципе и для того, чтобы она происходила необходимо одновременное выполнение следующих трех условий [3]:

• различные типы металлов;
• присутствие электролита;
• электрический контакт между двумя металлами.

Различные типы металлов

Для любых металлов, которые относятся к различным их типам, гальваническая коррозия является возможной. Металл с электроотрицательным потенциалом (или более электроотрицательный металл, если они оба электроотрицательные) действует как анод.

Тенденцию различных металлов образовывать гальванические пары и направленность электрохимического действия в различных коррозионных средах (морской воде, тропическом климате, промышленной атмосфере и т.д.) показывают в так называемых гальванических рядах. Чем далее удалены друг от друга металлы в этих рядах, тем более серьезной может быть электрохимическая коррозия. В разных коррозионных средах эти последовательности металлов могут быть разными (рисунок 2).

Присутствие электролита

Область контакта должна быть смочена водным раствором, чтобы обеспечивать ионную электропроводимость. В противном случае отсутствует возможность для гальванической коррозии.

Электрический контакт между металлами

Электрический контакт между металлами может происходить или путем прямого контакта между двумя металлами, или через крепежное соединение, например, болт.

Электрохимическая коррозия алюминия

Наиболее частые ошибки проектирования алюминиевых конструкций связаны с гальванической коррозией. Гальваническая или электрохимическая коррозия происходит, когда два разнородных металла образуют электрическую цепь, замыкаемую жидким или пленочным электролитом или коррозионной средой. В этих условиях разность потенциалов между разнородными металлами создает электрический ток, проходящий через электролит, который (ток) и приводит к коррозии в первую очередь анода или менее благородного металла из этой пары.

Внешний вид гальванической коррозии

Внешний вид гальванической коррозии является очень характерным. Эта коррозия не раскидывается по всей поверхности изделия, как это бывает с точечной – питтинговой – коррозий. Гальваническая коррозия плотно локализована в зоне контакта алюминия с другим металлом. Коррозионное воздействие на алюминий имеет равномерный характер, он развивается в глубь в виде кратеров, которые имеют более или менее округлую форму [3[.

Все алюминиевые сплавы подвергаются идентичной гальванической коррозии [3].