آیا آلومینیوم در آتش باز می سوزد؟ چگونه یک رنگ شعله یکنواخت بدست آوریم؟ احتراق آلیاژهای آلومینیوم منیزیم در هوا

حدس زدن اینکه رنگ شعله توسط مواد شیمیایی در حال سوختن در آن تعیین می شود دشوار نیست، اگر قرار گرفتن در معرض دمای بالا اتم های جداگانه ای از مواد قابل احتراق را آزاد کند و آتش را رنگ آمیزی کند. برای تعیین تاثیر مواد بر رنگ آتش، آزمایش های مختلفی انجام شد که در ادامه به آنها می پردازیم.

از زمان های قدیم، کیمیاگران و دانشمندان سعی کرده اند بسته به رنگی که شعله به دست می آورد، بفهمند چه موادی می سوزند.

شعله های آبگرمکن گازی و اجاق گاز موجود در تمامی منازل و آپارتمان ها رنگ آبی دارد. هنگام سوزاندن، این سایه توسط کربن، مونوکسید کربن تولید می شود. رنگ زرد مایل به نارنجی شعله آتشی که در جنگل روشن می شود یا کبریت های خانگی به دلیل محتوای بالای نمک های سدیم در چوب طبیعی است. تا حد زیادی به لطف این - قرمز. شعله مشعل اجاق گاز اگر نمک معمولی روی آن بپاشید به همان رنگ می رسد. وقتی مس می سوزد، شعله سبز می شود. فکر می کنم متوجه شده اید که وقتی یک حلقه یا زنجیر ساخته شده از مس معمولی را که برای مدت طولانی با یک ترکیب محافظ پوشانده نشده است بپوشید، پوست سبز می شود. در فرآیند احتراق نیز همین اتفاق می افتد. اگر محتوای مس زیاد باشد، یک نور سبز بسیار روشن ظاهر می شود، تقریباً یکسان با سفید. اگر براده های مسی را روی یک مشعل گاز بپاشید، این امر قابل مشاهده است.

آزمایش های زیادی با استفاده از یک مشعل گازی معمولی و مواد معدنی مختلف انجام شده است. به این ترتیب ترکیب آنها مشخص شد. باید ماده معدنی را با موچین بردارید و در شعله قرار دهید. رنگی که آتش به خود می گیرد می تواند ناخالصی های مختلف موجود در عنصر را نشان دهد. شعله سبز و سایه های آن نشان دهنده وجود مس، باریم، مولیبدن، آنتیموان و فسفر است. بور رنگ سبز آبی تولید می کند. سلنیوم به شعله رنگ آبی می دهد. شعله در حضور استرانسیم، لیتیوم و کلسیم قرمز و بنفش - پتاسیم است. رنگ زرد نارنجی در هنگام سوختن سدیم ایجاد می شود.

مطالعات مواد معدنی برای تعیین ترکیب آنها با استفاده از مشعل Bunsen انجام می شود. رنگ شعله آن یکنواخت و بی رنگ است و در روند آزمایش اختلالی ایجاد نمی کند. Bunsen مشعل را در اواسط قرن 19 اختراع کرد.

او روشی ابداع کرد که به فرد امکان می دهد ترکیب یک ماده را با سایه شعله تعیین کند. دانشمندان قبل از او سعی کرده بودند آزمایش های مشابهی انجام دهند، اما مشعل Bunsen نداشتند که شعله بی رنگ آن مانع پیشرفت آزمایش نشود. او عناصر مختلفی را روی یک سیم پلاتین در آتش مشعل قرار داد، زیرا وقتی این فلز اضافه می شود، شعله رنگی نمی شود. در نگاه اول، روش خوب به نظر می رسد؛ تجزیه و تحلیل شیمیایی کار فشرده را می توان کنار گذاشت. فقط باید عنصر را روی آتش بیاورید و ببینید از چه چیزی تشکیل شده است. اما موادی به شکل خالص خود به ندرت در طبیعت یافت می شوند. آنها معمولاً حاوی مقادیر زیادی ناخالصی های مختلف هستند که رنگ شعله را تغییر می دهند.

Bunsen سعی کرد رنگ ها و سایه ها را با استفاده از روش های مختلف برجسته کند. مثلا استفاده از شیشه های رنگی. بیایید بگوییم که اگر از شیشه آبی نگاه کنید، رنگ زردی را که هنگام سوزاندن رایج‌ترین نمک‌های سدیم در آتش ایجاد می‌شود، نخواهید دید. سپس سایه یاسی یا زرشکی عنصر مورد نظر قابل تشخیص می شود. اما حتی چنین ترفندهایی در موارد بسیار نادر منجر به تعیین صحیح ترکیب یک ماده معدنی پیچیده شد. این فناوری نمی توانست دستاورد بیشتری داشته باشد.

امروزه از چنین مشعل فقط برای لحیم کاری استفاده می شود.

شعله ها در رنگ های مختلف می آیند. به شومینه نگاه کنید شعله های زرد، نارنجی، قرمز، سفید و آبی روی کنده ها می رقصند. رنگ آن به دمای احتراق و مواد قابل احتراق بستگی دارد. برای تجسم این موضوع، مارپیچ یک اجاق گاز الکتریکی را تصور کنید. اگر کاشی خاموش باشد، چرخش های مارپیچی سرد و سیاه هستند. فرض کنید تصمیم گرفتید سوپ را گرم کنید و اجاق گاز را روشن کنید. در ابتدا مارپیچ قرمز تیره می شود. هر چه دما بالاتر می رود، رنگ قرمز مارپیچ روشن تر می شود. هنگامی که کاشی به حداکثر دمای خود می رسد، سیم پیچ نارنجی مایل به قرمز می شود.

به طور طبیعی، مارپیچ نمی سوزد. شعله را نمی بینی او واقعاً داغ است. اگر آن را بیشتر گرم کنید، رنگ آن تغییر می کند. ابتدا رنگ مارپیچ زرد، سپس سفید می شود و وقتی بیشتر گرم شد، درخشش آبی از آن ساطع می شود.

چیزی مشابه با آتش اتفاق می افتد. بیایید یک شمع را به عنوان مثال در نظر بگیریم. مناطق مختلف شعله شمع دمای متفاوتی دارند. آتش به اکسیژن نیاز دارد. اگر روی شمع را با یک ظرف شیشه ای بپوشانید، آتش خاموش می شود. ناحیه مرکزی شعله شمع در مجاورت فتیله اکسیژن کمی مصرف می کند و تاریک به نظر می رسد. نواحی بالا و کناری شعله اکسیژن بیشتری دریافت می کنند، بنابراین این مناطق روشن تر هستند. همانطور که شعله از میان فتیله حرکت می کند، موم ذوب می شود و می ترکد و به ذرات ریز کربن تبدیل می شود. (زغال سنگ نیز از کربن تشکیل شده است.) این ذرات توسط شعله به سمت بالا برده شده و می سوزند. آنها بسیار داغ هستند و مانند مارپیچ کاشی شما می درخشند. اما ذرات کربن بسیار داغتر از سیم پیچ داغترین کاشی هستند (دمای احتراق کربن تقریباً 1400 درجه سانتیگراد است). بنابراین، درخشش آنها زرد است. در نزدیکی فتیله سوزان، شعله حتی داغ تر است و آبی می درخشد.

شعله های آتش شومینه یا آتش عمدتاً از نظر ظاهری رنگارنگ هستند.چوب در دمای پایین تری نسبت به فتیله شمع می سوزد، بنابراین رنگ پایه آتش به جای زرد نارنجی است. برخی از ذرات کربن در شعله آتش دارای دمای نسبتاً بالایی هستند. تعداد کمی از آنها وجود دارد، اما رنگ زردی به شعله اضافه می کنند. ذرات سرد شده کربن داغ دوده ای هستند که روی دودکش ها می نشینند. دمای سوختن چوب کمتر از دمای سوختن شمع است. کلسیم، سدیم و مس وقتی تا دمای بالا گرم می شوند به رنگ های مختلف می درخشند. آنها به پودر موشک اضافه می شوند تا چراغ های آتش بازی تعطیلات را رنگ کنند.

رنگ شعله و ترکیب شیمیایی

رنگ شعله ممکن است بسته به ناخالصی های شیمیایی موجود در کنده ها یا سایر مواد قابل اشتعال متفاوت باشد. شعله ممکن است حاوی ناخالصی های سدیم باشد.

حتی در دوران باستان، دانشمندان و کیمیاگران تلاش می کردند تا بفهمند که چه نوع موادی در آتش می سوزد، بسته به رنگ آتش.

• سدیم جزء نمک خوراکی است. هنگامی که سدیم گرم می شود، به رنگ زرد روشن در می آید.
• ممکن است کلسیم در آتش آزاد شود. همه ما می دانیم که شیر حاوی مقدار زیادی کلسیم است. این فلز است. کلسیم داغ به رنگ قرمز روشن در می آید.
• اگر فسفر در آتش بسوزد، شعله مایل به سبز می شود. همه این عناصر یا در چوب هستند یا با مواد دیگری وارد آتش می شوند.
• تقریباً همه در خانه اجاق گاز یا آبگرمکن دارند که شعله های آن آبی رنگ است. این به دلیل کربن قابل احتراق، مونوکسید کربن است که این سایه را می دهد.

مخلوط کردن رنگ‌های شعله، مانند مخلوط کردن رنگ‌های رنگین کمان، می‌تواند رنگ سفید ایجاد کند، به همین دلیل است که مناطق سفید در شعله‌های آتش یا شومینه قابل مشاهده است.

دمای شعله هنگام سوزاندن برخی مواد:

چگونه یک رنگ شعله یکنواخت بدست آوریم؟

برای مطالعه کانی ها و تعیین ترکیب آنها از آن استفاده می شود چراغ بنزن، یک رنگ شعله یکنواخت و بی رنگ می دهد که در روند آزمایش تداخلی ایجاد نمی کند ، که توسط Bunsen در اواسط قرن 19 اختراع شد.

بونسن از طرفداران سرسخت عنصر آتش بود و اغلب شعله های آتش را سرهم می کرد. سرگرمی او دمیدن شیشه بود. با دمیدن طرح ها و مکانیسم های حیله گرانه مختلف از شیشه، بونسن نمی توانست متوجه درد شود. زمان هایی بود که انگشتان پینه بسته اش از شیشه داغ و هنوز نرم شروع به دود می کردند، اما او توجهی به آن نمی کرد. اگر درد از آستانه حساسیت فراتر رفته بود، پس با استفاده از روش خودش خود را نجات داد - لاله گوش خود را محکم با انگشتانش فشار داد و یک درد را با درد دیگر قطع کرد.

او بود که بنیانگذار روش تعیین ترکیب یک ماده با رنگ شعله بود. البته قبل از او دانشمندان تلاش کردند تا چنین آزمایشاتی را انجام دهند، اما مشعل بونسن با شعله بی رنگ که در آزمایش تداخلی نداشته باشد، نداشتند. او عناصر مختلفی را روی سیم پلاتین وارد شعله مشعل کرد، زیرا پلاتین روی رنگ شعله تأثیر نمی گذارد و آن را رنگ نمی کند.

به نظر می رسد که روش خوب است، نیازی به تجزیه و تحلیل شیمیایی پیچیده نیست، عنصر را روی شعله قرار دهید و ترکیب آن بلافاصله قابل مشاهده است. اما آنجا نبود. به ندرت موادی به شکل خالص در طبیعت یافت می شوند، آنها معمولاً حاوی طیف وسیعی از ناخالصی های مختلف هستند که تغییر رنگ می دهند.

Bunsen روش های مختلفی را برای جداسازی رنگ ها و سایه های آنها امتحان کرد. مثلا سعی کردم از شیشه های رنگی نگاه کنم. مثلاً شیشه آبی رنگ زرد تولید شده توسط رایج ترین نمک های سدیم را خاموش می کند و می توان رنگ زرشکی یا بنفش عنصر اصلی را تشخیص داد. اما حتی با کمک این ترفندها، می توان ترکیب یک کانی پیچیده را تنها یک بار در صد مورد تعیین کرد.

جالب است!با توجه به خاصیت اتم ها و مولکول ها برای ساطع نور با رنگ خاص، روشی برای تعیین ترکیب مواد ایجاد شد که به نام تحلیل طیفی. دانشمندان طیفی را که یک ماده از خود ساطع می کند مطالعه می کنند، مثلاً وقتی می سوزد، آن را با طیف عناصر شناخته شده مقایسه می کنند و بنابراین ترکیب آن را تعیین می کنند.

سوختن آلومینیوم

سوختن آلومینیوم در هوا

برخلاف منیزیم، ذرات منفرد آلومینیوم وقتی در هوا یا بخار آب تا دمای 2100 کلوین گرم می شوند، مشتعل نمی شوند. سوزاندن ذرات منیزیم برای احتراق آلومینیوم استفاده شد. دومی روی سطح عنصر گرمایش قرار می گیرد و ذرات آلومینیوم روی نوک سوزن در فاصله 10-4 متر بالاتر از اولی قرار می گیرند.

هنگامی که ذرات آلومینیوم مشتعل می شوند، احتراق در فاز بخار رخ می دهد و شدت ناحیه درخششی که در اطراف ذره ظاهر می شود به آرامی افزایش می یابد. احتراق ثابت با وجود یک منطقه درخشش مشخص می شود که تا زمانی که فلز تقریباً به طور کامل بسوزد، اندازه آن تغییر نمی کند. نسبت اندازه منطقه درخشش و ذره 1.6-1.9 است. در ناحیه درخشش، قطرات اکسید کوچکی تشکیل می شود که در اثر برخورد با هم ادغام می شوند.

باقیمانده پس از احتراق ذره یک پوسته توخالی است که داخل آن فلزی وجود ندارد. وابستگی زمان سوختن یک ذره به اندازه آن با فرمول (احتراق متقارن) بیان می شود.

احتراق آلومینیوم در بخار آب

احتراق آلومینیوم در بخار آب به طور ناهمگن رخ می دهد. هیدروژن آزاد شده در طول واکنش به تخریب فیلم اکسید کمک می کند. در این حالت، اکسید آلومینیوم مایع (یا هیدروکسید) به شکل قطرات با قطر حداکثر 10-15 میکرون پاشیده می شود. چنین تخریب پوسته اکسید به طور دوره ای تکرار می شود. این نشان می دهد که بخش قابل توجهی از فلز روی سطح ذره می سوزد.

در ابتدای احتراق، نسبت rsv /r 0 برابر است با 1.6-1.7. در طی فرآیند احتراق، اندازه ذرات کاهش می یابد و نسبت gs/?o به 2.0-3.0 افزایش می یابد. سرعت سوختن یک ذره آلومینیوم در بخار آب تقریباً 5 برابر بیشتر از هوا است.

احتراق آلیاژهای آلومینیوم منیزیم

احتراق آلیاژهای آلومینیوم منیزیم در هوا

احتراق ذرات آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم با ترکیب متغیر در هوا، مخلوط اکسیژن-آرگون، بخار آب و دی اکسید کربن، به طور معمول، شبیه به اشتعال ذرات منیزیم است. قبل از شروع اشتعال، واکنش های اکسیداتیو روی سطح رخ می دهد.

احتراق آلیاژهای آلومینیوم منیزیم به طور قابل توجهی با احتراق آلومینیوم و منیزیم متفاوت است و به شدت به نسبت اجزای آلیاژ و پارامترهای محیط اکسید کننده بستگی دارد. مهمترین ویژگی احتراق ذرات آلیاژی فرآیند دو مرحله ای است (شکل 2.6). در مرحله اول، ذره توسط مجموعه‌ای از مشعل‌ها احاطه می‌شود و یک ناحیه غیر یکنواخت از لومینسانس محصولات واکنش را تشکیل می‌دهد. با مقایسه ماهیت و اندازه ناحیه نورانی اطراف ذره آلیاژ در مرحله اول احتراق با ماهیت و اندازه ناحیه نورانی اطراف ذره منیزیم در حال سوختن (نگاه کنید به شکل 2.4)، می‌توان نتیجه گرفت که در این مرحله عمدتاً منیزیم است. از ذره می سوزد.

برنج. 2.6. احتراق یک ذره آلیاژی 30% Al + 70% Mg در فشار معمولی جو در مخلوطی حاوی 15% حجمی O 2و 85% Ar:

1, 2 – فرسودگی منیزیم؛ 3-6 – فرسودگی آلومینیوم

یکی از ویژگی های مرحله اول احتراق آلیاژ، ثابت بودن اندازه ذرات و منطقه شعله است. این بدان معنی است که قطره مایع آلیاژ در یک پوسته اکسید جامد قرار دارد. فیلم اکسید تحت سلطه اکسید منیزیم است. از طریق نقص فیلم، منیزیم جریان می یابد و در شعله انتشار فاز بخار می سوزد.

در پایان مرحله اول، وقوع واکنش‌های ناهمگن افزایش می‌یابد، همانطور که با ظهور کانون‌های لومینسانس روشن در سطح ذره مشهود است. گرمای آزاد شده در طی واکنش های ناهمگن باعث گرم شدن ذره تا نقطه ذوب اکسید و شروع مرحله دوم احتراق می شود.

در مرحله دوم احتراق، ذره توسط یک ناحیه درخشش یکنواخت و روشن تر احاطه می شود که با سوختن فلز کاهش می یابد. همگن بودن و کروی بودن ناحیه شعله نشان می دهد که لایه اکسید روی سطح ذره مذاب است. انتشار فلز از طریق فیلم با مقاومت کم انتشار اکسید مایع تضمین می شود. اندازه منطقه شعله به طور قابل توجهی بیشتر از اندازه ذرات است که نشان دهنده احتراق فلز در فاز بخار است. مقایسه ماهیت مرحله دوم احتراق با الگوی شناخته شده احتراق آلومینیوم، شباهت زیادی را نشان می دهد؛ به احتمال زیاد آلومینیوم در این مرحله از فرآیند می سوزد. با سوختن، اندازه شعله و در نتیجه قطره سوختن کاهش می یابد. ذره سوخته برای مدت طولانی می درخشد.

تغییر اندازه ناحیه درخشندگی ذره ای که می سوزد مطابق با مکانیسم توصیف شده پیچیده است (شکل 2.7). پس از احتراق مقدار r St. /r 0 به سرعت (در -0.1 میلی ثانیه) به حداکثر مقدار می رسد (بخش ab). علاوه بر این، در طول زمان اصلی مرحله اول احتراق، نسبت rخیابان/ r 0 ثابت می ماند (بخش bv). وقتی فرسودگی منیزیم به پایان می رسد، rرزومه/ r 0 به حداقل کاهش می یابد (نقطه ز)و سپس با شروع احتراق آلومینیوم افزایش می یابد (بخش gd). در نهایت، اما همانطور که آلومینیوم می سوزد r St. /r 0 به طور یکنواخت کاهش می یابد (بخش de) به مقدار نهایی مربوط به اندازه اکسید تشکیل شده است.

برنج. 2.7.:

1 – آلیاژ 30% Al + 70% Mg، هوا؛ 2 - آلیاژ 30٪ A1 + 70٪ Mg، مخلوط 15٪ O2 + 85٪ Ar; 3 – آلیاژ 50% A1 + 50% Mg، هوا

مکانیسم و ​​پارامترهای فرآیند احتراق آلیاژهای آلومینیوم منیزیم به طور قابل توجهی به ترکیب آلیاژ بستگی دارد. با کاهش محتوای منیزیم در آلیاژ، اندازه ناحیه درخشندگی در مرحله اول احتراق و مدت زمان این مرحله کاهش می یابد. هنگامی که محتوای منیزیم در آلیاژ کمتر از 30٪ باشد، فرآیند یک فرآیند دو مرحله ای باقی می ماند، اما متناوب می شود. در پایان مرحله اول، ناحیه درخشندگی به اندازه خود ذره کاهش می یابد، فرآیند احتراق متوقف می شود و آلومینیوم تنها پس از احتراق مجدد ذره می سوزد. ذراتی که دوباره مشتعل نمی‌شوند، پوسته‌های اکسید متخلخل و توخالی هستند که حاوی قطرات آلومینیوم نسوخته درون آن هستند.

وابستگی زمان سوختن ذرات به قطر اولیه آنها با فرمول های تجربی زیر بیان می شود:

احتراق آلیاژهای آلومینیوم منیزیم در مخلوط اکسیژن با آرگون، بخار آب و دی اکسید کربن.

ماهیت احتراق ذرات آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم در مخلوط های اکسیژن-آرگون مانند هوا است. با کاهش محتوای اکسیژن، اندازه منطقه درخشندگی در طول فرسودگی منیزیم به طور قابل توجهی کاهش می یابد. وابستگی زمان احتراق ذرات آلیاژ 50% Al + 50% Mg به اندازه ذرات و محتوای اکسیژن موجود در مخلوط در درصد حجمی با فرمول بیان می شود.

احتراق آلیاژها در بخار آب به طور قابل توجهی متفاوت است (شکل 2.8). لایه اکسیدی تشکیل شده در مرحله اول توسط هیدروژن از بین می رود و ذره ظاهری مرجانی به خود می گیرد. آلومینیوم باقی مانده در مرجان تنها 10-1 میلی ثانیه پس از پایان مرحله اول مشتعل می شود. چنین تناوب فرآیند برای آلیاژهای هر ترکیبی معمول است.

برنج. 2.8. احتراق ذرات آلیاژ آلومینیوم منیزیم (50:50) کروی(آ) و اشتباه(ب) در بخار آب در فشار اتمسفر معمولی تشکیل می شود:

1 - ذره اولیه 2 - ذرات قبل از احتراق 3- فرسودگی منیزیم؛ 4 – فرسودگی آلومینیوم 5- مرجان بعد از ذره تشکیل شده است

وقتی آلیاژهای آلومینیوم منیزیم در دی اکسید کربن می سوزند، فقط منیزیم از ذرات می سوزد و پس از آن فرآیند احتراق متوقف می شود.

احتراق آلیاژهای آلومینیوم منیزیم در شعله با دمای بالا

برای مطالعه فرآیند احتراق ذرات فلزی در دماهای بالا، یک قرص فشرده از مخلوط پرکلرات آمونیوم و هگزامین، با دمای احتراق 2500، 2700 و 3100 کلوین محاسبه شده، زیر ذره ای که روی نوک سوزن نصب شده بود سوزانده شد.

احتراق ذرات آلیاژهای آلومینیوم منیزیم در این شرایط معمولاً با انفجار رخ می دهد. وجود یک انفجار برای ذرات همه ترکیبات معمولی است. در نتیجه انفجار، یک منطقه لومینسانس قابل توجهی تشکیل می شود که نشانه غلبه احتراق فاز بخار است. عکسهای یک ذره در حال سوختن در ابتدای احتراق (شکل 2.9، آ) نشان می دهد که واکنش های ناهمگن در کل سطح پوسته اکسید رخ می دهد. به دلیل گرمای واکنش های ناهمگن، تبخیر سریع فلز رخ می دهد (شکل 2.9، ب، باعث پارگی پوسته اکسید و پاشیدن قطره تبخیر نشده می شود (شکل 2.9، V).

برنج. 2.9. احتراق ذرات آلیاژ 95 درصد آلیاژبا 5% Mg در شعله اکسید کننده (دمای 2700 K):

آ- مرحله اولیه احتراق؛ ب- احتراق ثابت؛ V- تقسیم کردن

به گفته B. G. Lrabey، S. E. Salibekov و Yu. V. Leninsky، خرد شدن ذرات آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم به دلیل اختلاف بسیار زیاد در دمای جوش منیزیم و آلومینیوم ایجاد می شود که در نتیجه جوش منیزیم در هنگام ذرات ایجاد می شود. در یک منطقه با دمای بالا انفجاری است و منجر به خرد شدن آلومینیوم باقی مانده می شود. دمای 2500 K در حال حاضر برای احتراق انفجاری کافی است، که کاملا طبیعی است، زیرا این دما از نقطه جوش هر دو جزء بیشتر است.

• Arabey B. G.، Salibekov S. E.، Levinsky Yu. V.برخی از ویژگی های اشتعال و احتراق گرد و غبار فلز // متالورژی پودر. 1964. شماره 3. ص 109-118.

برای تدوین قوانین فرآیندهای در حال انجام، می‌توانیم خود را به در نظر گرفتن کاتیون‌ها محدود کنیم و آنیون‌ها را حذف کنیم، زیرا آنها خودشان در واکنش شرکت نمی‌کنند. (با این حال، سرعت رسوب تحت تأثیر نوع آنیونها است.) اگر برای سادگی، فرض کنیم که هر دو فلز آزاد شده و محلول دو ظرفیتی هستند، می توانیم بنویسیم:

من 1 + من 2 2 + => من 1 2 + + من 2

علاوه بر این، برای اولین آزمایش Me 1 = Fe، Me 2 = Cu. بنابراین، این فرآیند شامل تبادل بار (الکترون) بین اتم ها و یون های هر دو فلز است. اگر به طور جداگانه (به عنوان واکنش های میانی) انحلال آهن یا رسوب مس را در نظر بگیریم، به دست می آوریم:

Fe => Fe 2+ + 2е -
Сu 2+ + 2е - => Сu

حال این مورد را در نظر بگیرید که فلزی در آب یا در محلول نمکی غوطه ور شود که تبادل آن با کاتیون به دلیل موقعیت آن در سری تنش غیرممکن است. با وجود این، فلز تمایل دارد به شکل یک یون به محلول برود. در این حالت، اتم فلز دو الکترون می دهد (اگر فلز دو ظرفیتی باشد)، سطح فلز غوطه ور در محلول نسبت به محلول دارای بار منفی می شود و یک لایه الکتریکی دوتایی در سطح مشترک تشکیل می شود. این اختلاف پتانسیل از انحلال بیشتر فلز جلوگیری می کند، به طوری که این فرآیند به زودی متوقف می شود. اگر دو فلز مختلف در یک محلول غوطه ور شوند، هر دو باردار می شوند، اما فلزی که کمتر فعال است، تا حدودی ضعیف تر خواهد بود، زیرا اتم های آن کمتر مستعد از دست دادن الکترون هستند. بیایید هر دو فلز را با یک هادی وصل کنیم. به دلیل اختلاف پتانسیل، جریانی از الکترون ها از فلز فعال تر به فلز کمتر فعال جریان می یابد که قطب مثبت عنصر را تشکیل می دهد. فرآیندی رخ می دهد که در آن فلز فعال تر به محلول می رود و کاتیون های محلول روی فلز نجیب تر آزاد می شوند.

ماهیت یک سلول گالوانیکی

اکنون اجازه دهید استدلال تا حدی انتزاعی ارائه شده در بالا را با چندین آزمایش نشان دهیم (که علاوه بر این، یک ساده سازی فاحش را نشان می دهد).

ابتدا یک لیوان 250 میلی لیتری را تا وسط با محلول 10 درصد اسید سولفوریک پر کنید و قطعات نه چندان کوچک روی و مس را در آن فرو کنید. سیم مسی را به هر دو الکترود لحیم یا پرچ می کنیم که انتهای آنها نباید با محلول تماس داشته باشد.

تا زمانی که انتهای سیم به یکدیگر متصل نباشد، انحلال روی را مشاهده خواهیم کرد که با آزاد شدن هیدروژن همراه است. روی، همانطور که از سری ولتاژ نشان می دهد، فعال تر از هیدروژن است، بنابراین فلز می تواند هیدروژن را از حالت یونی خارج کند. یک لایه دوگانه الکتریکی روی هر دو فلز تشکیل شده است. ساده ترین راه برای تشخیص اختلاف پتانسیل بین الکترودها با یک ولت متر است. بلافاصله پس از اتصال دستگاه به مدار، فلش تقریباً 1 ولت را نشان می دهد، اما سپس ولتاژ به سرعت کاهش می یابد. اگر یک لامپ کوچک را که 1 ولت مصرف می کند به عنصر متصل کنید، روشن می شود - در ابتدا کاملاً قوی، و سپس درخشش ضعیف می شود.

بر اساس قطبیت پایانه های دستگاه، می توان نتیجه گرفت که الکترود مسی قطب مثبت است. این را می توان بدون دستگاه با در نظر گرفتن الکتروشیمی فرآیند ثابت کرد. بیایید یک محلول اشباع از نمک خوراکی را در یک لیوان کوچک یا لوله آزمایش آماده کنیم، حدود 0.5 میلی لیتر محلول الکلی نشانگر فنل فتالئین اضافه کنیم و هر دو الکترود را که با سیم بسته شده اند را در محلول غوطه ور کنیم. یک رنگ مایل به قرمز کم رنگ در نزدیکی قطب منفی مشاهده می شود که ناشی از تشکیل هیدروکسید سدیم در کاتد است.

در آزمایشات دیگر می توان جفت فلزات مختلفی را در یک سلول قرار داد و ولتاژ حاصل را تعیین کرد. به عنوان مثال، منیزیم و نقره به دلیل فاصله قابل توجه بین آنها و یک سری ولتاژ، اختلاف پتانسیل بسیار زیادی ایجاد می کنند، در حالی که روی و آهن، برعکس، یک ولتاژ بسیار کوچک، کمتر از یک دهم ولت ایجاد می کنند. با استفاده از آلومینیوم عملا هیچ جریانی در اثر غیرفعال شدن دریافت نخواهیم کرد.

همه این عناصر، یا همانطور که الکتروشیمیدان ها می گویند، مدارها، این عیب را دارند که هنگام اندازه گیری جریان، ولتاژ دو طرف آنها خیلی سریع کاهش می یابد. بنابراین، الکتروشیمی‌دانان همیشه مقدار واقعی ولتاژ را در حالت بدون انرژی با استفاده از روش اندازه‌گیری می‌کنند جبران ولتاژیعنی مقایسه آن با ولتاژ منبع جریان دیگر.

اجازه دهید فرآیندهای عنصر مس-روی را با کمی جزئیات بیشتر در نظر بگیریم. در کاتد، روی طبق رابطه زیر وارد محلول می شود:

Zn => Zn 2+ + 2е -

یون های هیدروژن اسید سولفوریک در آند مس تخلیه می شود. آنها الکترون هایی را که از طریق سیم از کاتد روی می آیند وصل می کنند و در نتیجه حباب های هیدروژن تشکیل می شوند:

2Н + + 2е - => Н 2

پس از مدت کوتاهی، مس با یک لایه نازک از حباب های هیدروژن پوشیده می شود. در این حالت، الکترود مس به یک هیدروژن تبدیل می شود و اختلاف پتانسیل کاهش می یابد. این فرآیند نامیده می شود قطبی شدنالکترود قطبش الکترود مس را می توان با افزودن کمی محلول دی کرومات پتاسیم به سلول پس از افت ولتاژ از بین برد. پس از این، ولتاژ دوباره افزایش می یابد، زیرا دی کرومات پتاسیم هیدروژن را به آب اکسید می کند. بی کرومات پتاسیم در این مورد به عنوان عمل می کند دپلاریز کننده

در عمل از مدارهای گالوانیکی استفاده می شود که الکترودهای آنها پلاریزه نیستند و یا مدارهایی که قطبش آنها را می توان با افزودن دپلاریزه کننده ها از بین برد.

به عنوان مثالی از یک عنصر غیرقطبی، عنصر دانیل را در نظر بگیرید، که اغلب در گذشته به عنوان منبع فعلی استفاده می شد. این نیز یک عنصر مس-روی است، اما هر دو فلز در محلول های مختلف غوطه ور هستند. الکترود روی در یک سلول رسی متخلخل پر از اسید سولفوریک رقیق (حدود 20٪) قرار می گیرد. سلول رسی در یک شیشه بزرگ حاوی محلول غلیظ سولفات مس معلق است و در پایین آن لایه ای از کریستال های سولفات مس وجود دارد. الکترود دوم در این ظرف یک استوانه ساخته شده از ورق مس است.

این عنصر را می توان از یک شیشه شیشه ای، یک سلول سفالی در دسترس تجاری (در موارد شدید، از گلدان گل استفاده می کنیم، که سوراخ ته آن را می بندیم) و دو الکترود با اندازه مناسب ساخته می شود.

در حین کار سلول، روی حل می شود و سولفات روی را تشکیل می دهد و مس فلزی در الکترود مس آزاد می شود. اما در عین حال، الکترود مسی پلاریزه نمی شود و المنت ولتاژی حدود 1 ولت تولید می کند. در واقع، از نظر تئوری، ولتاژ در ترمینال ها 1.10 ولت است، اما هنگام جمع آوری جریان، مقدار کمی کمتر را به دلیل جریان الکتریکی اندازه گیری می کنیم. مقاومت سلول

اگر جریان را از عنصر خارج نکنیم، باید الکترود روی را از محلول اسید سولفوریک خارج کنیم، زیرا در غیر این صورت حل می شود و هیدروژن ایجاد می کند.

نمودار یک سلول ساده که به پارتیشن متخلخل نیاز ندارد در شکل نشان داده شده است. الکترود روی در بالای ظرف شیشه ای و الکترود مسی نزدیک به پایین قرار دارد. کل سلول با محلول اشباع نمک خوراکی پر شده است. یک مشت کریستال سولفات مس را در کف شیشه قرار دهید. محلول غلیظ سولفات مس به آرامی با محلول نمک خوراکی مخلوط می شود. بنابراین، هنگامی که سلول کار می کند، مس روی الکترود مس آزاد می شود و روی به شکل سولفات یا کلرید در قسمت بالایی سلول حل می شود.

امروزه آنها تقریباً به طور انحصاری برای باتری استفاده می شوند. عناصر خشک، که برای استفاده راحت تر هستند. جد آنها عنصر Leclanche است. الکترودها یک سیلندر روی و یک میله کربن هستند. الکترولیت خمیری است که عمدتاً از کلرید آمونیوم تشکیل شده است. روی در خمیر حل می شود و هیدروژن روی زغال سنگ آزاد می شود. برای جلوگیری از قطبی شدن، میله کربن را در یک کیسه کتانی حاوی مخلوطی از پودر زغال سنگ و پیرولوزیت فرو می برند. پودر کربن سطح الکترود را افزایش می دهد و پیرولوزیت به عنوان یک دپلاریز کننده عمل می کند و به آرامی هیدروژن را اکسید می کند. درست است، توانایی دپلاریزاسیون پیرولوزیت ضعیف تر از بی کرومات پتاسیمی است که قبلا ذکر شد. بنابراین، هنگامی که جریان در عناصر خشک دریافت می شود، ولتاژ به سرعت کاهش می یابد، آنها به دلیل قطبش "لاستیک" می شوند. تنها پس از مدتی اکسیداسیون هیدروژن با پیرولوزیت اتفاق می افتد. بنابراین، اگر برای مدتی جریانی عبور نکند، عناصر "استراحت می کنند". بیایید این را روی باتری چراغ قوه ای که یک لامپ را به آن وصل می کنیم، بررسی کنیم. ما یک ولت متر را به موازات لامپ وصل می کنیم، یعنی مستقیماً به پایانه ها. در ابتدا، ولتاژ حدود 4.5 ولت خواهد بود. (اغلب چنین باتری هایی دارای سه سلول به صورت سری هستند که هر کدام با ولتاژ نظری 1.48 ولت هستند.) پس از مدتی، ولتاژ کاهش می یابد و درخشش لامپ کاهش می یابد. تضعیف شود. بر اساس قرائت های ولت متر، می توانیم قضاوت کنیم که باتری چقدر به استراحت نیاز دارد.

جایگاه ویژه ای توسط عناصر احیا کننده به نام باتری ها اشغال شده است. آنها تحت واکنش های برگشت پذیر قرار می گیرند و می توانند پس از تخلیه سلول با اتصال به یک منبع DC خارجی دوباره شارژ شوند.

در حال حاضر، باتری های سرب اسید رایج ترین هستند. الکترولیت موجود در آنها اسید سولفوریک رقیق است که دو صفحه سربی در آن غوطه ور می شود. الکترود مثبت با پراکسید سرب PbO 2 (نام امروزی دی اکسید سرب) پوشیده شده است، الکترود منفی سرب فلزی است. ولتاژ در پایانه ها تقریباً 2.1 ولت است. هنگام تخلیه، سولفات سرب در هر دو صفحه تشکیل می شود که در هنگام شارژ دوباره به سرب فلزی و پراکسید سرب تبدیل می شود.