Palaako alumiini avotulessa? Kuinka saada tasainen liekin väri? Alumiini-magnesiumseosten poltto ilmassa

Ei ole vaikea arvata, että liekin värisävy määräytyy siinä palavien kemikaalien mukaan, jos altistuminen korkealle lämpötilalle vapauttaa palavien aineiden yksittäisiä atomeja, jotka värjäävät tulta. Aineiden vaikutuksen tulen väriin määrittämiseksi suoritettiin erilaisia ​​​​kokeita, joista keskustelemme alla.

Muinaisista ajoista lähtien alkemistit ja tiedemiehet ovat yrittäneet selvittää, mitkä aineet palavat liekin värin mukaan.

Kaikissa taloissa ja asunnoissa saatavilla olevien kaasuvesilämmittimien ja -uunien liekit ovat sinisen sävyisiä. Poltettaessa tätä sävyä tuottaa hiili, hiilimonoksidi. Metsässä sytytetyn tulen liekin tai kotitikkujen liekin kelta-oranssi väri johtuu luonnonpuun korkeasta natriumsuolojen pitoisuudesta. Suurelta osin tämän ansiosta - punainen. Kaasuliesipolttimen liekki saa saman värin, jos ripottelet siihen tavallista ruokasuolaa. Kun kupari palaa, liekki on vihreä. Luulen, että olet huomannut, että kun käytät tavallisesta kuparista valmistettua sormusta tai ketjua, jota ei ole päällystetty suojaavalla aineella pitkään aikaan, iho muuttuu vihreäksi. Sama tapahtuu palamisprosessin aikana. Jos kuparipitoisuus on korkea, ilmaantuu erittäin kirkas vihreä valo, joka on lähes identtinen valkoisen kanssa. Tämä näkyy, jos ripottelet kuparilastuja kaasupolttimeen.

Useita kokeita on tehty tavallisella kaasupolttimella ja erilaisilla mineraaleilla. Tällä tavalla niiden koostumus määritettiin. Sinun on otettava mineraali pinseteillä ja asetettava se liekkiin. Palon ottama väri voi viitata elementissä oleviin erilaisiin epäpuhtauksiin. Vihreä liekki ja sen sävyt osoittavat kuparin, bariumin, molybdeenin, antimonin ja fosforin läsnäolon. Boori tuottaa sinivihreän värin. Seleeni antaa liekille sinisen sävyn. Liekki värjäytyy punaiseksi strontiumin, litiumin ja kalsiumin läsnä ollessa ja violetti - kalium. Keltaoranssi väri syntyy natriumin palaessa.

Mineraalien tutkimukset niiden koostumuksen määrittämiseksi suoritetaan Bunsen-polttimella. Sen liekin väri on tasainen ja väritön, se ei häiritse kokeen kulkua. Bunsen keksi polttimen 1800-luvun puolivälissä.

Hän keksi menetelmän, jonka avulla voidaan määrittää aineen koostumus liekin sävyn perusteella. Tiedemiehet olivat yrittäneet suorittaa samanlaisia ​​kokeita ennen häntä, mutta heillä ei ollut Bunsen-poltinta, jonka väritön liekki ei häirinnyt kokeen etenemistä. Hän asetti erilaisia ​​elementtejä platinalangalla polttimen tuleen, koska kun tätä metallia lisätään, liekki ei värjää. Ensi silmäyksellä menetelmä vaikuttaa hyvältä, työvoimavaltainen kemiallinen analyysi voidaan jättää tekemättä. Sinun tarvitsee vain tuoda elementti tuleen ja katsoa, ​​mistä se koostuu. Mutta aineita puhtaassa muodossaan löytyy erittäin harvoin luonnosta. Ne sisältävät yleensä suuria määriä erilaisia ​​epäpuhtauksia, jotka muuttavat liekin väriä.

Bunsen yritti korostaa värejä ja sävyjä eri menetelmillä. Esimerkiksi käyttämällä värillistä lasia. Oletetaan, että jos katsot sinisen lasin läpi, et näe keltaista väriä, jonka tuli muuttuu poltettaessa yleisimpiä natriumsuoloja. Sitten halutun elementin lila tai karmiininpunainen sävy erottuu. Mutta jopa tällaiset temput johtivat monimutkaisen mineraalin koostumuksen oikeaan määrittämiseen erittäin harvinaisissa tapauksissa. Tällä tekniikalla ei voitaisi saavuttaa enempää.

Nykyään tällaista taskulamppua käytetään vain juottamiseen.

Liekit ovat eri värejä. Katso takkaan. Keltaiset, oranssit, punaiset, valkoiset ja siniset liekit tanssivat tukien päällä. Sen väri riippuu palamislämpötilasta ja palavasta materiaalista. Voit visualisoida tämän kuvittelemalla sähköliesi kierteen. Jos laatta sammutetaan, spiraalin kierrokset ovat kylmiä ja mustia. Oletetaan, että päätät lämmittää keiton ja laittaa liesi päälle. Aluksi spiraali muuttuu tummanpunaiseksi. Mitä korkeammalle lämpötila nousee, sitä kirkkaampi on spiraalin punainen väri. Kun laatta saavuttaa maksimilämpötilansa, kela muuttuu oranssinpunaiseksi.

Luonnollisesti spiraali ei pala. Et näe liekkiä. Hän on vain todella kuuma. Jos kuumennat sitä lisää, väri muuttuu. Ensin spiraalin väri muuttuu keltaiseksi, sitten valkoiseksi, ja kun se lämpenee vielä enemmän, siitä tulee sinistä hehkua.

Jotain vastaavaa tapahtuu tulen kanssa. Otetaan esimerkkinä kynttilä. Kynttilän liekin eri alueilla on eri lämpötila. Tuli tarvitsee happea. Jos peität kynttilän lasipurkilla, tuli sammuu. Kynttilän liekin keskialue sydämen vieressä kuluttaa vähän happea ja näyttää tummalta. Liekin ylä- ja sivualueet saavat enemmän happea, joten nämä alueet ovat kirkkaampia. Kun liekki liikkuu sydämen läpi, vaha sulaa ja rätisee ja hajoaa pieniksi hiilihiukkasiksi. (Myös kivihiili koostuu hiilestä.) Liekki kuljettaa näitä hiukkasia ylöspäin ja palaa. Ne ovat erittäin kuumia ja hehkuvat kuin laattasi kierre. Mutta hiilihiukkaset ovat paljon kuumempia kuin kuumimman laatan kela (hiilen palamislämpötila on noin 1 400 celsiusastetta). Siksi niiden hehku on keltaista. Palavan sydämen lähellä liekki on vielä kuumempi ja hehkuu sinisenä.

Takan tai tulen liekit ovat enimmäkseen kirjavaisia. Puu palaa alhaisemmassa lämpötilassa kuin kynttilän sydän, joten tulen perusväri on oranssi eikä keltainen. Joillakin tuliliekissä olevilla hiilihiukkasilla on melko korkea lämpötila. Niitä on vähän, mutta ne tuovat liekille kellertävän sävyn. Kuuman hiilen jäähtyneet hiukkaset ovat nokea, joka laskeutuu savupiippuihin. Puun palamislämpötila on alhaisempi kuin kynttilän palamislämpötila. Kalsium, natrium ja kupari hehkuvat eri väreinä kuumennettaessa korkeisiin lämpötiloihin. Niitä lisätään rakettijauheeseen värjäämään loman ilotulitteiden valot.

Liekin väri ja kemiallinen koostumus

Liekin väri voi vaihdella tukkien tai muiden syttyvien aineiden sisältämien kemiallisten epäpuhtauksien mukaan. Liekki voi sisältää esimerkiksi natriumepäpuhtauksia.

Jo muinaisina aikoina tiedemiehet ja alkemistit yrittivät ymmärtää, millaiset aineet palavat tulessa tulen väristä riippuen.

• Natrium on ruokasuolan ainesosa. Kun natriumia kuumennetaan, se muuttuu kirkkaan keltaiseksi.
• Kalsiumia voi vapautua tuleen. Me kaikki tiedämme, että maito sisältää paljon kalsiumia. Se on metallia. Kuuma kalsium muuttuu kirkkaan punaiseksi.
• Jos fosfori palaa tulessa, liekki muuttuu vihertäväksi. Kaikki nämä alkuaineet ovat joko puun sisällä tai tulevat tuleen muiden aineiden kanssa.
• Lähes jokaisella kotona on kaasuliesi tai lämminvesivaraaja, joiden liekit ovat siniset. Tämä johtuu palavasta hiilestä, hiilimonoksidista, joka antaa tämän sävyn.

Liekin värien sekoittaminen, kuten sateenkaaren värejä, voi tuottaa valkoista, minkä vuoksi tulen tai takan liekeissä näkyy valkoisia alueita.

Liekin lämpötila tiettyjä aineita poltettaessa:

Kuinka saada tasainen liekin väri?

Sitä käytetään mineraalien tutkimiseen ja niiden koostumuksen määrittämiseen Bunsen poltin, joka antaa tasaisen, värittömän liekin värin, joka ei häiritse kokeen kulkua, jonka Bunsen keksi 1800-luvun puolivälissä.

Bunsen oli kiihkeä tulielementin fani ja puuhaili usein liekkejä. Hänen harrastuksensa oli lasinpuhallus. Puhaltamalla erilaisia ​​ovelia malleja ja mekanismeja lasista, Bunsen ei voinut huomata kipua. Joskus hänen kovettuneet sormensa alkoivat savua kuumasta, vielä pehmeästä lasista, mutta hän ei kiinnittänyt siihen huomiota. Jos kipu oli jo ylittänyt herkkyyskynnyksen, niin hän pelasti itsensä omalla menetelmällään - hän painoi korvalehteään tiukasti sormillaan keskeyttäen yhden kivun toisella.

Hän oli se, joka perusti menetelmän aineen koostumuksen määrittämiseksi liekin värin perusteella. Tietenkin ennen häntä tutkijat yrittivät suorittaa tällaisia ​​​​kokeita, mutta heillä ei ollut Bunsen-poltinta, jossa oli väritön liekki, joka ei häirinnyt koetta. Hän toi erilaisia ​​elementtejä platinalangalla polttimen liekkiin, koska platina ei vaikuta liekin väriin eikä värjää sitä.

Vaikuttaa siltä, ​​​​että menetelmä on hyvä, monimutkaista kemiallista analyysiä ei tarvita; vie elementti liekkiin ja sen koostumus näkyy heti. Mutta se ei ollut siellä. Aineita esiintyy luonnossa hyvin harvoin puhtaassa muodossaan, ne sisältävät yleensä suuren määrän erilaisia ​​väriä vaihtavia epäpuhtauksia.

Bunsen kokeili erilaisia ​​menetelmiä eristää värejä ja niiden sävyjä. Yritin esimerkiksi katsoa värillisen lasin läpi. Sanotaan, että sininen lasi sammuttaa yleisimpien natriumsuolojen tuottaman keltaisen värin, ja alkuperäisen alkuaineen voi havaita karmiininpunaisen tai violetin sävyn. Mutta jopa näiden temppujen avulla monimutkaisen mineraalin koostumus oli mahdollista määrittää vain kerran sadasta.

Tämä on mielenkiintoista! Koska atomien ja molekyylien ominaisuus lähettää tietyn väristä valoa, kehitettiin menetelmä aineiden koostumuksen määrittämiseksi, jota ns. spektrianalyysi. Tiedemiehet tutkivat spektriä, jonka aine lähettää esimerkiksi palaessaan, vertaavat sitä tunnettujen alkuaineiden spektreihin ja määrittävät siten sen koostumuksen.

Alumiinin poltto

Alumiini palaa ilmassa

Toisin kuin magnesium, yksittäiset alumiinihiukkaset eivät syty, kun ne kuumennetaan ilmassa tai vesihöyryssä 2100 K:n lämpötilaan. Palavia magnesiumhiukkasia käytettiin alumiinin sytyttämiseen. Jälkimmäiset asetettiin lämmityselementin pinnalle ja alumiinihiukkaset neulan kärkeen 10-4 m etäisyydelle edellisen yläpuolelle.

Kun alumiinihiukkasia sytytetään, syttyminen tapahtuu höyryfaasissa ja hiukkasen ympärille ilmestyvän hehkuvyöhykkeen intensiteetti kasvaa hitaasti. Kiinteälle palamiselle on ominaista hehkuvyöhykkeen olemassaolo, joka ei muuta kokoaan ennen kuin metalli on palanut lähes kokonaan. Hehkuvyöhykkeen ja hiukkasen kokojen suhde on 1,6-1,9. Hehkuvyöhykkeelle muodostuu pieniä oksidipisaroita, jotka sulautuvat yhteen törmäyksessä.

Hiukkasen palamisen jälkeinen jäännös on ontto kuori, jonka sisällä ei ole metallia. Hiukkasen palamisajan riippuvuus sen koosta ilmaistaan ​​kaavalla (symmetrinen palaminen).

Alumiinin palaminen vesihöyryssä

Alumiinin syttyminen vesihöyryssä tapahtuu heterogeenisesti. Reaktion aikana vapautuva vety myötävaikuttaa oksidikalvon tuhoutumiseen; tässä tapauksessa nestemäistä alumiinioksidia (tai -hydroksidia) ruiskutetaan pisaroiden muodossa, joiden halkaisija on jopa 10-15 mikronia. Tällainen oksidikuoren tuhoutuminen toistetaan ajoittain. Tämä viittaa siihen, että merkittävä osa metallista palaa hiukkasen pinnalla.

Palamisen alussa suhde rsv /r 0 on 1,6-1,7. Polttoprosessin aikana hiukkaskoko pienenee ja gs/o-suhde kasvaa arvoon 2,0-3,0. Alumiinihiukkasen palamisnopeus vesihöyryssä on lähes 5 kertaa suurempi kuin ilmassa.

Alumiini-magnesiumseosten poltto

Alumiini-magnesiumseosten poltto ilmassa

Vaihtelevan koostumuksen omaavien alumiini-magnesiumseosten hiukkasten syttyminen ilmassa, happi-argonseoksissa, vesihöyryssä ja hiilidioksidissa etenee pääsääntöisesti samalla tavalla kuin magnesiumhiukkasten syttyminen. Syttymisen alkamista edeltävät pinnalla tapahtuvat oksidatiiviset reaktiot.

Alumiini-magnesiumseosten palaminen eroaa merkittävästi sekä alumiinin että magnesiumin palamisesta ja riippuu voimakkaasti seoksen komponenttien suhteesta ja hapettavan ympäristön parametreista. Seoshiukkasten palamisen tärkein ominaisuus on kaksivaiheinen prosessi (kuva 2.6). Ensimmäisessä vaiheessa hiukkasta ympäröi joukko taskulamppuja, jotka muodostavat epäyhtenäisen reaktiotuotteiden luminesenssivyöhykkeen. Vertaamalla metalliseoshiukkasta ympäröivän valovyöhykkeen luonnetta ja kokoa ensimmäisen palamisvaiheen aikana palavan magnesiumhiukkasen ympärillä olevan valovyöhykkeen luonteeseen ja kokoon (katso kuva 2.4), voidaan päätellä, että tässä vaiheessa pääasiassa magnesiumia palaa pois hiukkasesta.

Riisi. 2.6. 30 % Al + 70 % Mg seoshiukkasen poltto normaalissa ilmanpaineessa seoksessa, joka sisältää 15 tilavuusprosenttia O 2ja 85 % Ar:

1, 2 – magnesiumin palaminen; 3-6 – alumiinin palaminen

Seoksen palamisen ensimmäisen vaiheen piirre on hiukkaskoon ja liekkialueen pysyvyys. Tämä tarkoittaa, että lejeeringin nestepisara on kiinteän oksidikuoren sisällä. Oksidikalvoa hallitsee magnesiumoksidi. Kalvon vikojen kautta magnesium virtaa ulos palaen höyryfaasidiffuusioliekissä.

Ensimmäisen vaiheen lopussa heterogeenisten reaktioiden esiintyminen lisääntyy, mistä on osoituksena kirkkaan luminesenssipisteiden ilmaantuminen hiukkasen pinnalle. Heterogeenisten reaktioiden aikana vapautuva lämpö edistää hiukkasen kuumenemista oksidin sulamispisteeseen ja toisen palamisvaiheen alkuun.

Toisessa palamisvaiheessa hiukkasta ympäröi tasainen, kirkkaampi hehkuvyöhyke, joka vähenee metallin palaessa. Liekkivyöhykkeen homogeenisuus ja palloisuus osoittavat, että hiukkasen pinnalla oleva oksidikalvo on sulanut. Metallin diffuusio kalvon läpi varmistetaan nestemäisen oksidin alhaisella diffuusioresistanssilla. Liekkivyöhykkeen koko ylittää merkittävästi hiukkaskoon, mikä viittaa metallin palamiseen höyryfaasissa. Toisen palamisvaiheen luonteen vertailu alumiinin tunnettuun palamismalliin osoittaa suurta samankaltaisuutta; on todennäköistä, että alumiini palaa tässä prosessin vaiheessa. Kun se palaa, liekin koko ja sitä kautta palamispisara pienenevät. Palanut hiukkanen hehkuu pitkään.

Palavan hiukkasen hehkuvyöhykkeen koon muuttaminen kuvatun mekanismin mukaisesti on monimutkaista (kuva 2.7). Sytytyksen jälkeen arvo r St. /r 0 nopeasti (-0,1 ms:ssa) saavuttaa maksimiarvon (osa ab). Lisäksi ensimmäisen palamisvaiheen pääajan aikana suhde r St/ r 0 pysyy vakiona (osio bv). Kun magnesiumin palaminen loppuu, r CV/ r 0 pienennetään minimiin (piste G), ja sitten alumiinin palamisen alkaessa se kasvaa (kappale gd). Lopulta, mutta alumiinin palaessa r St. /r 0 pienenee monotonisesti (osio de) lopulliseen arvoon, joka vastaa muodostuneen oksidin kokoa.

Riisi. 2.7.:

1 – seos 30 % Al + 70 % Mg, ilma; 2 – seos 30 % A1 + 70 % Mg, seos 15 % O2 + 85 % Ar; 3 – seos 50 % A1 + 50 % Mg, ilma

Alumiini-magnesiumseosten palamisprosessin mekanismi ja parametrit riippuvat merkittävästi seoksen koostumuksesta. Seoksen magnesiumpitoisuuden pienentyessä hehkuvyöhykkeen koko ensimmäisen palamisvaiheen aikana ja tämän vaiheen kesto pienenee. Kun lejeeringin magnesiumpitoisuus on alle 30 %, prosessi pysyy kaksivaiheisena, mutta muuttuu ajoittaiseksi. Ensimmäisen vaiheen lopussa hehkuvyöhyke pienennetään itse hiukkasen kokoon, palamisprosessi pysähtyy ja alumiini palaa vasta sen jälkeen, kun hiukkanen sytytetään uudelleen. Hiukkaset, jotka eivät syty uudelleen, ovat onttoja, huokoisia oksidikuoria, joiden sisällä on palamatonta alumiinipisaroita.

Hiukkasten palamisajan riippuvuus niiden alkuperäisestä halkaisijasta ilmaistaan ​​seuraavilla empiirisilla kaavoilla:

Alumiini-magnesiumseosten poltto hapen ja argonin seoksissa, vesihöyryssä ja hiilidioksidissa.

Alumiini-magnesiumseosten hiukkasten palamisen luonne happi-argonseoksissa on sama kuin ilmassa. Happipitoisuuden pienentyessä hehkuvyöhykkeen koko magnesiumin palamisen aikana pienenee huomattavasti. 50 % Al + 50 % Mg -seoksen hiukkasten palamisajan riippuvuus seoksen hiukkaskoosta ja happipitoisuudesta tilavuusprosentteina ilmaistaan ​​kaavalla

Seosten palaminen vesihöyryssä on merkittävästi erilaista (kuva 2.8). Ensimmäisessä vaiheessa muodostunut oksidikalvo tuhoutuu vedyn vaikutuksesta, ja hiukkanen saa korallin ulkonäön. Koralliin jäänyt alumiini syttyy vain 1-10 ms ensimmäisen vaiheen päättymisen jälkeen. Tällainen prosessin katkonaisuus on tyypillistä minkä tahansa koostumuksen omaaville seoksille.

Riisi. 2.8. Alumiini-magnesium-seoshiukkasten (50:50) palaminen pallomaisesti(A) ja väärin(b) muodostuu vesihöyryssä normaalissa ilmanpaineessa:

1 – alkupartikkeli; 2 – hiukkanen ennen sytytystä; 3 – magnesiumin palaminen; 4 – alumiinin palaminen; 5 – hiukkasen jälkeen muodostunut koralli

Kun alumiini-magnesiumseokset palavat hiilidioksidissa, vain magnesium palaa pois hiukkasesta, minkä jälkeen palamisprosessi pysähtyy.

Alumiini-magnesiumseosten poltto korkean lämpötilan liekissä

Metallipartikkelien palamisprosessin tutkimiseksi korkeissa lämpötiloissa poltettiin neulan kärkeen asennetun hiukkasen alla puristettu tabletti ammoniumperkloraatin ja heksamiinin seoksista, joiden palolämpötilat olivat 2500, 2700 ja 3100 K.

Alumiini-magnesiumseosten hiukkasten palaminen näissä olosuhteissa tapahtuu yleensä räjähdyksellä. Räjähdys on tyypillistä kaikkien koostumusten hiukkasille. Räjähdyksen seurauksena muodostuu merkittävä luminesenssivyöhyke, mikä on merkki höyryfaasipolton vallitsevasta vaikutuksesta. Valokuvia palavasta hiukkasesta palamisen alussa (kuva 2.9, A) osoittavat, että heterogeenisiä reaktioita tapahtuu oksidikuoren koko pinnalla. Heterogeenisten reaktioiden lämmön vuoksi tapahtuu metallin nopeaa haihtumista (kuva 2.9, b), mikä edistää oksidikuoren repeytymistä ja haihtumattoman pisaran roiskumista (kuva 2.9, V).

Riisi. 2.9. 95 % Al-seoshiukkasten palaminen 5 % Mg hapettavassa liekissä (lämpötila 2700 K):

A– palamisen alkuvaihe; b– paikallaan oleva poltto; V- Erota

B. G. Lrabeyn, S. E. Salibekovin ja Yu. V. Leninskyn mukaan alumiini-magnesiumseosten hiukkasten murskaus johtuu erittäin suuresta magnesiumin ja alumiinin kiehumislämpötilojen erosta, jonka seurauksena magnesium kiehuu, kun hiukkanen korkean lämpötilan alueella on räjähdysaltista ja johtaa jäljellä olevan alumiinin murskaantumiseen. 2500 K lämpötila on jo riittävä räjähdysmäisen palamisen syntymiseen, mikä on aivan luonnollista, koska tämä lämpötila ylittää molempien komponenttien kiehumispisteen.

• Arabey B. G., Salibekov S. E., Levinsky Yu. V. Jotkut metallipölyn syttymisen ja palamisen ominaisuudet // Jauhemetallurgia. 1964. nro 3. s. 109-118.

Meneillään olevien prosessien lakien muotoilemiseksi voimme rajoittua kationien huomioimiseen ja sulkea pois anionit, koska ne eivät itse osallistu reaktioon. (Anionien tyyppi vaikuttaa kuitenkin laskeuman nopeuteen.) Jos oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi, että sekä vapautuneet että liuenneet metallit ovat kaksiarvoisia, voidaan kirjoittaa:

Minä 1 + Minä 2 2+ => Minä 1 2+ + Minä 2

Lisäksi ensimmäisessä kokeessa Me 1 = Fe, Me 2 = Cu. Joten prosessi koostuu varausten (elektronien) vaihdosta molempien metallien atomien ja ionien välillä. Jos tarkastellaan erikseen (välituotereaktioina) raudan liukenemista tai kuparin saostumista, saadaan:

Fe => Fe 2+ + 2e -
Сu 2+ + 2е - => Сu

Tarkastellaan nyt tapausta, jossa metalli on upotettu veteen tai suolaliuokseen, jonka kationin vaihto on mahdotonta sen sijainnin vuoksi jännityssarjassa. Tästä huolimatta metallilla on taipumus liueta ionin muodossa. Tällöin metalliatomi luovuttaa kaksi elektronia (jos metalli on kaksiarvoinen), liuokseen upotetun metallin pinta varautuu negatiivisesti suhteessa liuokseen ja rajapinnalle muodostuu kaksinkertainen sähkökerros. Tämä potentiaaliero estää metallin liukenemisen edelleen, joten prosessi pysähtyy pian. Jos kaksi eri metallia upotetaan liuokseen, ne molemmat varautuvat, mutta vähemmän aktiivinen on jonkin verran heikompi, koska sen atomit ovat vähemmän alttiita elektronien menettämiselle. Yhdistetään molemmat metallit johtimella. Potentiaalierosta johtuen elektronivirta virtaa aktiivisemmasta metallista vähemmän aktiiviseen, joka muodostaa elementin positiivisen navan. Tapahtuu prosessi, jossa aktiivisempi metalli liukenee ja kationeja liuoksesta vapautuu jaloimman metallin päälle.

Galvaanisen kennon ydin

Havainnollistetaan nyt useilla kokeilla edellä esitettyä jokseenkin abstraktia päättelyä (joka lisäksi edustaa karkeaa yksinkertaistamista).

Täytä ensin 250 ml:n dekantterilasi keskelle 10-prosenttisella rikkihappoliuoksella ja upota siihen ei liian pieniä sinkki- ja kuparipaloja. Juotamme tai niitaamme kuparilankaa molempiin elektrodiin, joiden päät eivät saa koskettaa liuosta.

Niin kauan kuin langan päät eivät ole yhteydessä toisiinsa, tarkkailemme sinkin liukenemista, johon liittyy vedyn vapautumista. Sinkki, kuten jännitesarjasta seuraa, on aktiivisempaa kuin vety, joten metalli voi syrjäyttää vedyn ionitilasta. Molempien metallien päälle muodostuu sähköinen kaksoiskerros. Helpoin tapa havaita elektrodien välinen potentiaaliero on volttimittarilla. Välittömästi laitteen kytkemisen jälkeen piiriin nuoli osoittaa noin 1 V, mutta sitten jännite laskee nopeasti. Jos kytket elementtiin pienen hehkulampun, joka kuluttaa 1 V, se syttyy - aluksi melko voimakkaasti, ja sitten hehku heikkenee.

Laitteen napojen napaisuuden perusteella voimme päätellä, että kuparielektrodi on positiivinen napa. Tämä voidaan todistaa ilman laitetta ottaen huomioon prosessin sähkökemian. Valmistetaan kyllästetty ruokasuolaliuos pieneen dekantterilasiin tai koeputkeen, lisätään noin 0,5 ml fenoliftaleiiniindikaattorin alkoholiliuosta ja upotetaan molemmat lankalla suljetut elektrodit liuokseen. Negatiivisen navan lähellä havaitaan heikko punertava väri, joka johtuu natriumhydroksidin muodostumisesta katodilla.

Muissa kokeissa kennoon voidaan sijoittaa erilaisia ​​metallipareja ja määrittää tuloksena oleva jännite. Esimerkiksi magnesium ja hopea antavat erityisen suuren potentiaalieron niiden välisen merkittävän etäisyyden ja jännitesarjan vuoksi, kun taas sinkki ja rauta päinvastoin antavat erittäin pienen, alle kymmenesosan voltista. Käytettäessä alumiinia emme saa käytännössä mitään virtaa passivoitumisen vuoksi.

Kaikilla näillä elementeillä tai, kuten sähkökemistit sanovat, piireillä on se haittapuoli, että virtaa mitattaessa niiden yli oleva jännite putoaa hyvin nopeasti. Siksi sähkökemistit mittaavat menetelmällä aina jännitteen todellisen arvon jännitteettömässä tilassa jännitteen kompensointi eli vertaamalla sitä toisen virtalähteen jännitteeseen.

Tarkastellaanpa kupari-sinkkielementin prosesseja hieman yksityiskohtaisemmin. Katodilla sinkki menee liuokseen seuraavan yhtälön mukaisesti:

Zn => Zn 2+ + 2e -

Rikkihapon vetyionit purkautuvat kuparianodilla. Ne kiinnittävät elektroneja, jotka tulevat langan läpi sinkkikatodista ja seurauksena muodostuu vetykuplia:

2Н + + 2е - => Н 2

Lyhyen ajan kuluttua kupari peittyy ohuella vetykupliakerroksella. Tässä tapauksessa kuparielektrodi muuttuu vetyelektrodiksi ja potentiaaliero pienenee. Tätä prosessia kutsutaan polarisaatio elektrodi. Kuparielektrodin polarisaatio voidaan poistaa lisäämällä kennoon vähän kaliumdikromaattiliuosta jännitteen pudotuksen jälkeen. Tämän jälkeen jännite nousee jälleen, koska kaliumdikromaatti hapettaa vedyn vedeksi. Kaliumdikromaatti toimii tässä tapauksessa depolarisaattori

Käytännössä käytetään galvaanisia piirejä, joiden elektrodit eivät ole polarisoituneita, tai piirejä, joiden polarisaatio voidaan poistaa lisäämällä depolarisaattoreita.

Esimerkkinä ei-polarisoituvasta elementistä, harkitse Daniel-elementtiä, jota käytettiin usein aiemmin virtalähteenä. Tämä on myös kupari-sinkkielementti, mutta molemmat metallit upotetaan erilaisiin ratkaisuihin. Sinkkielektrodi asetetaan huokoiseen savikennoon, joka on täytetty laimealla (noin 20 %) rikkihapolla. Savikenno on ripustettu suureen lasiin, joka sisältää väkevää kuparisulfaattiliuosta, ja sen pohjassa on kerros kuparisulfaattikiteitä. Tämän astian toinen elektrodi on kuparilevystä valmistettu sylinteri.

Tämä elementti voidaan valmistaa lasipurkista, kaupallisesti saatavasta savikennosta (äärimmäisissä tapauksissa käytämme kukkaruukkua, joka sulkee pohjassa olevan reiän) ja kahdesta sopivan kokoisesta elektrodista.

Kennon toiminnan aikana sinkki liukenee muodostaen sinkkisulfaattia ja metallista kuparia vapautuu kuparielektrodissa. Mutta samaan aikaan kuparielektrodi ei ole polarisoitunut ja elementti tuottaa noin 1 V jännitteen. Itse asiassa teoriassa jännite liittimissä on 1,10 V, mutta virtaa kerättäessä mitataan sähköstä johtuen hieman pienempi arvo. solun vastustuskyky.

Jos emme poista virtaa elementistä, meidän on poistettava sinkkielektrodi rikkihappoliuoksesta, koska muuten se liukenee muodostaen vetyä.

Kuvassa on kaavio yksinkertaisesta kennosta, joka ei vaadi huokoista väliseinää. Sinkkielektrodi sijaitsee lasipurkin yläosassa ja kuparielektrodi lähellä pohjaa. Koko kenno on täytetty kylläisellä ruokasuolan liuoksella. Aseta kourallinen kuparisulfaattikiteitä purkin pohjalle. Saatu väkevä kuparisulfaattiliuos sekoittuu pöytäsuolaliuokseen hyvin hitaasti. Siksi kennon toimiessa kuparia vapautuu kuparielektrodille ja sinkki liukenee sulfaatin tai kloridin muodossa kennon yläosaan.

Nykyään niitä käytetään lähes yksinomaan akkuihin. kuivat elementit, joita on helpompi käyttää. Heidän esi-isänsä on Leclanche-elementti. Elektrodit ovat sinkkisylinteri ja hiilitanko. Elektrolyytti on tahna, joka koostuu pääasiassa ammoniumkloridista. Sinkki liukenee tahnaan ja hiileen vapautuu vetyä. Polarisoitumisen välttämiseksi hiilisauva kastetaan pellavapussiin, joka sisältää hiilijauheen ja pyrolusiitin seosta. Hiilijauhe lisää elektrodin pintaa ja pyrolusiitti toimii depolarisaattorina hapettaen vetyä hitaasti. On totta, että pyrolusiitin depolarisaatiokyky on heikompi kuin aiemmin mainitun kaliumbikromaatin. Siksi, kun virta vastaanotetaan kuiviin elementteihin, jännite laskee nopeasti, ne "väsyvät" polarisaation vuoksi. Vasta jonkin ajan kuluttua vedyn hapettumista tapahtuu pyrolusiitin kanssa. Siten elementit "lepäävät", jos virtaa ei kuljeta vähään aikaan. Tarkastetaan tämä taskulampun akulla, johon kytkemme hehkulampun. Kytkemme volttimittarin rinnakkain lampun kanssa, eli suoraan liittimiin. Aluksi jännite on noin 4,5 V. (Useimmiten tällaisissa akuissa on kolme sarjaan kytkettyä kennoa, joista jokaisen teoreettinen jännite on 1,48 V.) Jonkin ajan kuluttua jännite laskee ja hehkulampun hehku heikentää. Volttimittarin lukemien perusteella voimme arvioida, kuinka kauan akku tarvitsee levätä.

Erityinen paikka on regeneroituvilla elementeillä, joita kutsutaan paristoiksi. Ne käyvät läpi palautuvia reaktioita, ja ne voidaan ladata uudelleen kennon purkamisen jälkeen kytkemällä ulkoiseen tasavirtalähteeseen.

Tällä hetkellä lyijyakut ovat yleisimpiä; Niiden elektrolyytti on laimeaa rikkihappoa, johon on upotettu kaksi lyijylevyä. Positiivinen elektrodi on päällystetty lyijyperoksidilla PbO 2 (nykyaikainen nimi on lyijydioksidi), negatiivinen elektrodi on metallilyijyä. Liitäntöjen jännite on noin 2,1 V. Purkaessaan molemmille levyille muodostuu lyijysulfaattia, joka latauksen aikana muuttuu jälleen metalliksi lyijyksi ja lyijyperoksidiksi.