დენის ქიმიური წყაროები

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

           დენის ქიმიური წყაროები

ვოლტაური ბოძი

(აბრ. HIT) არის დენის წყარო, რომელშიც მასში მიმდინარე ქიმიური რეაქციების ენერგია პირდაპირ გარდაიქმნება ელექტრო ენერგიად.

პირველი ქიმიური დენის წყარო გამოიგონა იტალიელმა მეცნიერმა ალესანდრო ვოლტამ 1800 წელს. ეს იყო "ვოლტას ელემენტი" - ჭურჭელი გოგირდის მჟავით, მასში ჩაშვებული თუთიისა და სპილენძის ფირფიტებით, მავთულის დენის მიდებით. შემდეგ მეცნიერმა ამ ელემენტებისგან ბატარეა შეკრიბა, რომელსაც მოგვიანებით "ვოლტაური სვეტი" უწოდეს. ეს გამოგონება შემდგომში გამოიყენეს სხვა მეცნიერებმა თავიანთ კვლევაში. მაგალითად, 1802 წელს რუსმა აკადემიკოსმა ვ.ვ. პეტროვმა ააგო 2100 ელემენტისგან შემდგარი ვოლტაური სვეტი ელექტრული რკალის წარმოებისთვის. 1836 წელს ინგლისელმა ქიმიკოსმა ჯონ დანიელმა გააუმჯობესა ვოლტაური ელემენტი თუთიისა და სპილენძის ელექტროდების მოთავსებით გოგირდმჟავას ხსნარში. ეს დიზაინი ცნობილი გახდა, როგორც "დანიელის ელემენტი".

კათოდური ელექტროლიტის ანოდის ძაბვის ტიპი,

IN

ლითიუმის რკინის დისულფიდური ელემენტი FeS2 Li 1,50—3,50

მანგანუმ-თუთიის ელემენტი MnO2 KOH Zn 1.56

მანგანუმ-კალის ელემენტი MnO2 KOH Sn 1.65

მანგანუმ-მაგნიუმის ელემენტი MnO2 MgBr2 Mg 2,00

ტყვია-თუთიის უჯრედი PbO2 H2SO4 Zn 2.55

ტყვია-კადმიუმის ელემენტი PbO2 H2SO4 Cd 2.42

ტყვია-ქლორის ელემენტი PbO2 HClO4 Pb 1.92

ვერცხლისწყალ-თუთიის ელემენტი HgO KOH Zn 1.36

მერკური-კადმიუმის ელემენტი HgO2 KOH Cd 1.92

ვერცხლისწყლის კალის ოქსიდის ელემენტი HgO2 KOH Sn 1.30

ქრომ-თუთიის ელემენტი K2Cr2O7 H2SO4 Zn 1.8–1.9

1859 წელს ფრანგმა ფიზიკოსმა გასტონ პლანტემ გამოიგონა ტყვიის მჟავა ბატარეა გოგირდმჟავაში წვრილი შემოხვეული ტყვიის ფირფიტის ჩასმით. ამ ტიპის უჯრედები დღესაც გამოიყენება მანქანის ბატარეებში.

1865 წელს ფრანგმა ქიმიკოსმა J. Leclanchet-მა შესთავაზა თავისი გალვანური უჯრედი (Leclanchet element), რომელიც შედგებოდა თუთიის ჭიქისგან, სავსე ამონიუმის ქლორიდის ან სხვა ქლორიდის მარილის წყალხსნარით, რომელშიც მოთავსებული იყო მანგანუმის(IV) ოქსიდის აგლომერატი MnO2. როგორც დეპოლარიზატორი ნახშირბადის დენის გადინებით. ამ დიზაინის მოდიფიკაცია კვლავ გამოიყენება მარილის ბატარეებში სხვადასხვა საყოფაცხოვრებო მოწყობილობებისთვის.

1890 წელს, ნიუ-იორკში, კონრად ჰუბერტი, რუსეთიდან ემიგრანტი, ქმნის პირველ ჯიბის ელექტრო ფანარს. და უკვე 1896 წელს National Carbon-ის კომპანიამ დაიწყო მსოფლიოში პირველი მშრალი ელემენტების Leclanche "Columbia"-ს მასობრივი წარმოება.

უძველესი ვოლტაური ელემენტი, რომელიც ჯერ კიდევ გამოიყენება, არის ვერცხლის თუთიის ბატარეა, რომელიც დამზადებულია ლონდონში 1840 წელს. ზარი, რომელიც დაკავშირებულია ორ ასეთ სერიასთან დაკავშირებულ ბატარეასთან, დღემდე მუშაობს ოქსფორდის კლარენდონის ლაბორატორიაში.

ოპერაციული პრინციპი

ქიმიური დენის წყაროს საფუძველია ორი ელექტროდი (დადებითად დამუხტული კათოდი, რომელიც შეიცავს ჟანგვის აგენტს, და უარყოფითად დამუხტული ანოდი, რომელიც შეიცავს შემამცირებელ აგენტს) ელექტროლიტთან კონტაქტში. ელექტროდებს შორის დგინდება პოტენციური განსხვავება - ელექტრომამოძრავებელი ძალა, რომელიც შეესაბამება რედოქსის რეაქციის თავისუფალ ენერგიას. ქიმიური დენის წყაროების მოქმედება ეფუძნება სივრცით გამოყოფილი პროცესების წარმოქმნას დახურულ გარე წრეში: უარყოფით ანოდზე, შემცირების აგენტი იჟანგება, შედეგად თავისუფალი ელექტრონები გადიან გარე წრეში დადებით კათოდში, ქმნიან გამონადენის დენს. , სადაც ისინი მონაწილეობენ ჟანგვის აგენტის შემცირების რეაქციაში. ამრიგად, უარყოფითად დამუხტული ელექტრონების ნაკადი გარე წრეში მიდის ანოდიდან კათოდში, ანუ უარყოფითი ელექტროდიდან (ქიმიური დენის წყაროს უარყოფითი პოლუსი) დადებითზე. ეს შეესაბამება ელექტრული დენის დინებას დადებითი პოლუსიდან უარყოფითი მიმართულებით, რადგან დენის მიმართულება ემთხვევა დირიჟორში დადებითი მუხტების მოძრაობის მიმართულებას.

თანამედროვე ქიმიური დენის წყაროები იყენებენ:

როგორც შემცირების საშუალება (ანოდური მასალა) - ტყვიის Pb, კადმიუმის Cd, თუთია Zn და სხვა ლითონები;

როგორც ჟანგვის საშუალება (კათოდური მასალა) - ტყვიის(IV) ოქსიდი PbO2, ნიკელის ჰიდროქსიდი NiOOH, მანგანუმის(IV) ოქსიდი MnO2 და სხვა;

როგორც ელექტროლიტი - ტუტეების, მჟავების ან მარილების ხსნარები.

კლასიფიკაცია

ხელახალი გამოყენების შესაძლებლობის ან შეუძლებლობის მიხედვით, ქიმიური დენის წყაროები იყოფა:

გალვანური უჯრედები (პირველადი HIT), რომლებიც მათში წარმოქმნილი რეაქციების შეუქცევადობის გამო ვერ იტვირთება;

ელექტრო ბატარეები (მეორადი HIT) - დატენვადი გალვანური უჯრედები, რომელთა დატენვა შესაძლებელია გარე დენის წყაროს (დამტენის) გამოყენებით;

საწვავის უჯრედები (ელექტროქიმიური გენერატორები) - მოწყობილობები გალვანური უჯრედის მსგავსი, მაგრამ მისგან განსხვავდება იმით, რომ ელექტროქიმიური რეაქციისთვის საჭირო ნივთიერებები მიეწოდება მას გარედან, ხოლო რეაქციის პროდუქტები ამოღებულია მისგან, რაც საშუალებას აძლევს მას იმუშაოს უწყვეტად, სანამ უზრუნველყოფილია რეაგენტების მიწოდება.

უნდა აღინიშნოს, რომ უჯრედების დაყოფა გალვანურ და ბატარეებად გარკვეულწილად თვითნებურია, რადგან ზოგიერთი გალვანური უჯრედი, მაგალითად, ტუტე ბატარეები, შეიძლება დატენილი იყოს, მაგრამ ამ პროცესის ეფექტურობა უკიდურესად დაბალია.

გამოყენებული ელექტროლიტის ტიპის მიხედვით, ქიმიური დენის წყაროები იყოფა მჟავად (მაგალითად, ტყვიის ბატარეა, ტყვიის ფლუორესცენტური ელემენტი), ტუტე (მაგალითად, ვერცხლისწყალ-თუთიის უჯრედი, ვერცხლისწყალ-კადმიუმის უჯრედი, ნიკელ-თუთიის ბატარეა, ნიკელ-კადმიუმის ბატარეა) და მარილი (მაგალითად, მანგანუმ-მაგნიუმის უჯრედი, თუთია-ქლორის ბატარეა).

ზოგიერთი სახის ქიმიური დენის წყაროები

გალვანური უჯრედები

მთავარი სტატია: გალვანური უჯრედი

გალვანური უჯრედი არის ელექტრული დენის ქიმიური წყარო, რომელსაც ლუიჯი გალვანი ეწოდა. გალვანური უჯრედის მოქმედების პრინციპი ემყარება ელექტროლიტის მეშვეობით ორი ლითონის ურთიერთქმედებას, რაც იწვევსუკმარისობა ელექტრული დენის დახურულ წრეში.

სხვა ტიპები:

ტყვიის ფლუორესცენტური ელემენტი

სპილენძის ოქსიდის გალვანური უჯრედი

ბისმუტ-მაგნიუმის ელემენტი

მერკური-ბისმუტ-ინდიუმის ელემენტი

ლითიუმის ქრომის ვერცხლის უჯრედი

ლითიუმის ბისმუთატის ელემენტი

ლითიუმის სპილენძის ოქსიდის უჯრედი

ლითიუმის იოდის ტყვიის უჯრედი

ლითიუმის იოდის უჯრედი

ლითიუმის თიონილ ქლორიდის უჯრედი

ლითიუმის ვანადიუმის ოქსიდის უჯრედი

ლითიუმის ფტორიდის უჯრედი

ლითიუმის ბიგოგირდის უჯრედი

დიოქსისულფატი ვერცხლისწყლის ელემენტი

მაგნიუმის გოგირდის ელემენტი

ტყვიის ქლორიდ-მაგნიუმის ელემენტი

ვერცხლის-მაგნიუმის ქლორიდის ელემენტი

სპილენძ-მაგნიუმის ქლორიდის ელემენტი

თუთია იოდატის ელემენტი

მაგნიუმის პერქლორატის ელემენტი

მაგნიუმი-m-DNB ელემენტი

თუთია-ვერცხლის ქლორიდის ელემენტი

ქლორ-ვერცხლის ელემენტი

ბრომი-ვერცხლის ელემენტი

იოდ-ვერცხლის ელემენტი

მაგნიუმის ვანადიუმის ელემენტი

კალციუმის ქრომატის ელემენტი

ელექტრო ბატარეები

მთავარი სტატია: ელექტრო ბატარეა

ელექტრო ბატარეა არის დენის ხელახლა გამოყენებადი ქიმიური წყარო (ანუ, გალვანური უჯრედისგან განსხვავებით, ქიმიური რეაქციები, რომლებიც უშუალოდ ელექტრო ენერგიად გარდაიქმნება, მრავალჯერ შექცევადია). ელექტრო ბატარეები გამოიყენება ენერგიის შესანახად და სხვადასხვა მოწყობილობების ავტონომიურად კვებისათვის.

აგრეთვე იხილეთ კატეგორია: ბატარეები.

რკინა-ჰაერის ბატარეა

რკინა-ნიკელის ბატარეა

ლანთანუმის ფტორიდის ბატარეა

ლითიუმის რკინის სულფიდის ბატარეა 

Li-ion ბატარეა

ლითიუმ პოლიმერული ბატარეა

ლითიუმის ფტორის ბატარეა

ლითიუმის ქლორის ბატარეა

ლითიუმის გოგირდის ბატარეა

მანგანუმ-კალის ელემენტი

ნატრიუმის ნიკელის ქლორიდის ბატარეა

ნატრიუმ-გოგირდის ბატარეა

ნიკელ-კადმიუმის ბატარეა

ნიკელის ლითონის ჰიდრიდის ბატარეა

ნიკელ-თუთიის ბატარეა

ტყვია-წყალბადის ბატარეა

ტყვიის მჟავა ბატარეა

ვერცხლის კადმიუმის ბატარეა

ვერცხლის-თუთიის ბატარეა

თუთია-ბრომის ბატარეა

თუთია-ჰაერის ბატარეა

თუთია-ქლორის ბატარეა

საწვავის უჯრედები

მთავარი სტატია: საწვავის უჯრედი

საწვავის უჯრედი გალვანური უჯრედის მსგავსი ელექტროქიმიური მოწყობილობაა, მაგრამ მისგან განსხვავდება იმით, რომ ელექტროქიმიური რეაქციისთვის ნივთიერებები მას მიეწოდება გარედან - განსხვავებით გალვანურ უჯრედში ან ბატარეაში შენახული ენერგიის შეზღუდული რაოდენობით.

იხილეთ ასევე კატეგორია: საწვავის უჯრედები.

პირდაპირი მეთანოლის საწვავის უჯრედი.

მყარი ოქსიდის საწვავის უჯრედი.

ტუტე საწვავის უჯრედი.

პოლუსის განმარტება

მუდმივი ძაბვის წყაროს რომელი პოლუსია დადებითი და რომელი უარყოფითი, გამოიყენება სპეციალური „პოლუსების მპოვნელები“, რომელთა მოქმედება ეფუძნება ელექტროლიზის ფენომენს. პოლარობის საპოვნელი არის მინის ამპულა, რომელიც ივსება სუფრის მარილის ხსნარით ფენოლფთალეინის დამატებით. ამპულაში ელექტროდები შეჰყავთ გარედან. როდესაც ძაბვის წყარო ელექტროდებს უკავშირდება, ელექტროლიზი იწყება: წყალბადი გამოიყოფა უარყოფით პოლუსზე და იქმნება ტუტე გარემო. ტუტეს არსებობის გამო ფენოლფთალეინი იცვლის ფერს - წითლდება ელექტროდის წითელი შეფერილობით, მსჯელობენ, რომ იგი დაკავშირებულია ძაბვის წყაროს უარყოფით პოლუსთან.

იხ. ვიდეო - ელექტრული დენი და მისი წყარო

ელექტრომომარაგება

დენის წყარო არის ელექტრო მოწყობილობა, რომელიც შექმნილია ელექტროენერგიის წარმოებისთვის, დაგროვებისთვის ან მისი მახასიათებლების შესაცვლელად.

ელექტროენერგიის ინდუსტრიაში:

პირველადი ჯაჭვები;

მეორადი სქემები.

ელექტრონული აღჭურვილობა:

პირველადი მოიცავს სხვადასხვა სახის ენერგიის ელექტრო ენერგიად გადამყვანებს, მაგალითებს მიეკუთვნება გენერატორები, ბატარეები (ქიმიური ენერგიის ელექტრო ენერგიად გარდაქმნა) და ა.შ.;

მეორადი წყაროები თავად არ გამოიმუშავებენ ელექტროენერგიას, არამედ ემსახურებიან მხოლოდ მის გარდაქმნას საჭირო პარამეტრების მისაღებად (ძაბვა, დენი, ძაბვის ტალღა და ა.შ.);

მესამეული მიწოდება - მოწყობილობის კვების წყარო, რომელიც დაკავშირებულია მეორად დენის წყაროსთან