Alüminyum açık ateşte yanar mı? Düzgün bir alev rengi nasıl elde edilir? Alüminyum-magnezyum alaşımlarının havada yanması

Yüksek sıcaklığa maruz kalma, yanıcı maddelerin tek tek atomlarını serbest bırakarak yangını renklendiriyorsa, alevin tonunun içinde yanan kimyasallar tarafından belirlendiğini tahmin etmek zor değildir. Maddelerin ateşin rengi üzerindeki etkisini belirlemek için aşağıda tartışacağımız çeşitli deneyler yapıldı.

Antik çağlardan beri simyacılar ve bilim adamları, alevin kazandığı renge bağlı olarak hangi maddelerin yandığını bulmaya çalıştılar.

Tüm ev ve apartmanlarda bulunan gazlı su ısıtıcıları ve sobaların alevleri mavi renktedir. Yakıldığında bu gölge karbon, karbon monoksit tarafından üretilir. Ormanda yanan ateşin veya evdeki kibritlerin alevinin sarı-turuncu rengi, doğal ahşaptaki yüksek sodyum tuzları içeriğinden kaynaklanmaktadır. Büyük ölçüde bunun sayesinde - kırmızı. Bir gaz sobası brülörünün alevi, üzerine sıradan sofra tuzu serperseniz aynı rengi alacaktır. Bakır yandığında alev yeşil olacaktır. Koruyucu bir bileşikle kaplanmamış sıradan bakırdan yapılmış bir yüzük veya zinciri uzun süre taktığınızda cildinizin yeşile döndüğünü sanırım fark etmişsinizdir. Aynı şey yanma işlemi sırasında da olur. Bakır içeriği yüksekse, beyaza yakın, çok parlak bir yeşil ışık oluşur. Bir gaz ocağına bakır talaşı serperseniz bu görülebilir.

Sıradan bir gaz yakıcı ve çeşitli mineraller kullanılarak birçok deney yapılmıştır. Bu şekilde kompozisyonları belirlendi. Minerali cımbızla alıp ateşe koymanız gerekiyor. Yangının aldığı renk, elementte mevcut olan çeşitli yabancı maddeleri gösterebilir. Yeşil alev ve tonları bakır, baryum, molibden, antimon ve fosforun varlığını gösterir. Bor mavi-yeşil bir renk üretir. Selenyum aleve mavi bir renk verir. Alev, stronsiyum, lityum ve kalsiyum ve menekşe - potasyum varlığında kırmızı renktedir. Sodyum yandığında sarı-turuncu renk oluşur.

Minerallerin bileşimlerini belirlemeye yönelik çalışmalar bir Bunsen brülörü kullanılarak gerçekleştirilir. Alevinin rengi eşit ve renksizdir, deneyin gidişatını etkilemez. Bunsen 19. yüzyılın ortalarında brülörü icat etti.

Alevin gölgesine göre bir maddenin bileşiminin belirlenmesine olanak tanıyan bir yöntem buldu. Bilim adamları ondan önce benzer deneyler yapmaya çalışmışlardı, ancak ellerinde renksiz alevi deneyin ilerlemesini engellemeyen bir Bunsen beki yoktu. Brülör ateşine platin tel üzerine çeşitli elementler yerleştirdi, çünkü bu metal eklendiğinde alev renklenmiyordu. İlk bakışta yöntem iyi görünüyor; yoğun emek gerektiren kimyasal analizlerden vazgeçilebilir. Sadece elementi ateşe getirmeniz ve neyden oluştuğunu görmeniz gerekiyor. Ancak maddeler doğada çok nadir olarak saf halde bulunabilir. Genellikle alevin rengini değiştiren büyük miktarlarda çeşitli yabancı maddeler içerirler.

Bunsen, çeşitli yöntemler kullanarak renkleri ve gölgeleri vurgulamaya çalıştı. Örneğin renkli cam kullanmak. Diyelim ki mavi camdan baktığınızda en yaygın sodyum tuzlarını yakarken ateşin verdiği sarı rengi göremezsiniz. Daha sonra istenen öğenin lila veya koyu kırmızı tonu ayırt edilebilir hale gelir. Ancak bu tür hileler bile çok nadir durumlarda karmaşık bir mineralin bileşiminin doğru şekilde belirlenmesine yol açtı. Bu teknoloji daha fazlasını başaramazdı.

Günümüzde böyle bir meşale yalnızca lehimleme için kullanılmaktadır.

Alevler farklı renklerde gelir. Şömineye bak. Kütüklerin üzerinde sarı, turuncu, kırmızı, beyaz ve mavi alevler dans ediyor. Rengi yanma sıcaklığına ve yanıcı maddeye bağlıdır. Bunu görselleştirmek için elektrikli bir sobanın spiralini hayal edin. Döşeme kapatılırsa spiral dönüşler soğuk ve siyah olur. Diyelim ki çorbayı ısıtıp ocağı açmaya karar verdiniz. İlk başta spiral koyu kırmızıya döner. Sıcaklık arttıkça spiralin kırmızı rengi daha parlak olur. Fayans maksimum sıcaklığına ulaştığında bobin turuncu-kırmızıya döner.

Doğal olarak spiral yanmaz. Alevi görmüyorsun. Gerçekten çok ateşli. Daha fazla ısıtırsanız rengi değişir. Önce spiralin rengi sarıya, sonra beyaza dönecek ve daha da ısındığında ondan mavi bir parıltı çıkacaktır.

Ateşte de benzer bir şey olur. Örnek olarak bir mumu ele alalım. Mum alevinin farklı alanları farklı sıcaklıklara sahiptir. Ateşin oksijene ihtiyacı vardır. Bir mumun üzerini cam bir kavanozla kapatırsanız yangın söner. Mum alevinin fitile bitişik merkezi alanı az oksijen tüketir ve karanlık görünür. Alevin üst ve yan bölgeleri daha fazla oksijen aldığından bu alanlar daha parlaktır. Alev fitil boyunca ilerledikçe balmumu erir ve çatırdayarak küçük karbon parçacıklarına ayrılır. (Kömür de karbondan oluşur.) Bu parçacıklar alev tarafından yukarıya doğru taşınarak yanar. Çok sıcaktırlar ve fayansınızın spirali gibi parlıyorlar. Ancak karbon parçacıkları en sıcak kiremitin bobininden çok daha sıcaktır (karbonun yanma sıcaklığı yaklaşık 1.400 santigrat derecedir). Bu nedenle parıltıları sarıdır. Yanan fitilin yakınındaki alev daha da sıcak ve mavi renkte parlıyor.

Bir şöminenin veya ateşin alevleri çoğunlukla rengarenk bir görünüme sahiptir. Odun mum fitilinden daha düşük sıcaklıkta yanar, bu nedenle ateşin temel rengi sarı yerine turuncudur. Ateş alevindeki bazı karbon parçacıkları oldukça yüksek bir sıcaklığa sahiptir. Bunlardan çok azı var ama aleve sarımsı bir renk katıyorlar. Soğutulmuş sıcak karbon parçacıkları bacalara yerleşen kurumdur. Ahşabın yanma sıcaklığı mumun yanma sıcaklığından daha düşüktür. Kalsiyum, sodyum ve bakır, yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında farklı renklerde parlar. Tatil havai fişeklerinin ışıklarını renklendirmek için roket tozuna eklenirler.

Alev rengi ve kimyasal bileşimi

Alevin rengi, kütüklerin içerdiği kimyasal yabancı maddelere veya diğer yanıcı maddelere bağlı olarak değişebilir. Alev örneğin sodyum safsızlıkları içerebilir.

Antik çağlarda bile bilim adamları ve simyacılar, ateşin rengine bağlı olarak ateşte ne tür maddelerin yandığını anlamaya çalıştılar.

• Sodyum sofra tuzunun bir bileşenidir. Sodyum ısıtıldığında parlak sarıya döner.
• Kalsiyum ateşe karışabilir. Sütün bol miktarda kalsiyum içerdiğini hepimiz biliyoruz. Bu metal. Sıcak kalsiyum parlak kırmızıya döner.
• Fosfor ateşte yanarsa alev yeşilimsi bir renk alır. Bütün bu elementler ya ahşabın içinde bulunur ya da başka maddelerle birlikte ateşe girer.
• Hemen hemen herkesin evinde alevleri mavi renkte olan gaz sobaları veya su ısıtıcıları vardır. Bunun nedeni, bu gölgeyi veren yanıcı karbon, karbon monoksittir.

Bir alevin renklerini karıştırmak, gökkuşağının renklerini karıştırmak gibi beyaz üretebilir; bu nedenle ateşin veya şöminenin alevlerinde beyaz alanlar görülebilir.

Belirli maddeleri yakarken alev sıcaklığı:

Düzgün bir alev rengi nasıl elde edilir?

Mineralleri incelemek ve bileşimlerini belirlemek için kullanılır Bunsen beki 19. yüzyılın ortalarında Bunsen tarafından icat edilen, deneyin gidişatını etkilemeyen, eşit, renksiz bir alev rengi veren.

Bunsen, ateş elementinin ateşli bir hayranıydı ve sıklıkla alevlerle uğraşırdı. Hobisi cam üflemekti. Çeşitli kurnaz tasarımları ve mekanizmaları camdan dışarı üfleyen Bunsen, acıyı fark edemedi. Nasırlı parmaklarının sıcak, hâlâ yumuşak camdan duman çıkarmaya başladığı zamanlar oldu ama o buna aldırış etmedi. Ağrı zaten hassasiyet eşiğinin ötesine geçmişse, kendi yöntemini kullanarak kendini kurtardı - kulak memesini parmaklarıyla sıkıca bastırarak bir ağrıyı diğeriyle kesintiye uğrattı.

Alevin rengine göre bir maddenin bileşimini belirleme yönteminin kurucusu oydu. Elbette ondan önce bilim adamları bu tür deneyler yapmaya çalıştılar ama deneyi engellemeyen renksiz alevli Bunsen brülörü yoktu. Platin alevin rengini etkilemediği ve renklendirmediği için brülör alevine platin tel üzerinde çeşitli elementler kattı.

Görünüşe göre yöntem iyi, karmaşık kimyasal analizlere gerek yok, elementi ateşe verin ve bileşimi hemen görülebilir. Ama orada değildi. Doğada çok nadiren maddeler saf formda bulunur; genellikle renk değiştiren çok çeşitli safsızlıklar içerirler.

Bunsen, renkleri ve tonlarını izole etmek için çeşitli yöntemler denedi. Mesela renkli camdan bakmaya çalıştım. Diyelim ki mavi cam, en yaygın sodyum tuzlarının ürettiği sarı rengi söndürür ve doğal elementin kızıl veya mor tonu fark edilebilir. Ancak bu hilelerin yardımıyla bile karmaşık bir mineralin bileşimini yalnızca yüzde bir kez belirlemek mümkün oldu.

Bu ilginç! Atomların ve moleküllerin belirli bir renkteki ışığı yayma özelliği nedeniyle, maddelerin bileşimini belirlemek için adı verilen bir yöntem geliştirildi. Spektral analiz. Bilim adamları, örneğin yandığında bir maddenin yaydığı spektrumu inceler, onu bilinen elementlerin spektrumuyla karşılaştırır ve böylece bileşimini belirler.

Alüminyum yakma

Alüminyumun havada yanması

Magnezyumun aksine, tekli alüminyum parçacıkları hava veya su buharında 2100 K'ye ısıtıldığında tutuşmaz. Alüminyumu tutuşturmak için yanan magnezyum parçacıkları kullanıldı. İkincisi, ısıtma elemanının yüzeyine yerleştirildi ve alüminyum parçacıkları, birincinin 10-4 m yukarısında iğnenin ucuna yerleştirildi.

Alüminyum parçacıkları tutuşturulduğunda buhar fazında tutuşma meydana gelir ve parçacık etrafında oluşan parlama bölgesinin yoğunluğu yavaş yavaş artar. Sabit yanma, metal neredeyse tamamen yanana kadar boyutunu değiştirmeyen bir parlama bölgesinin varlığıyla karakterize edilir. Işıma bölgesi ve parçacık boyutlarının oranı 1,6-1,9'dur. Kızdırma bölgesinde, çarpışma sırasında birleşen küçük oksit damlacıkları oluşur.

Parçacığın yanmasından sonraki kalıntı, içinde metal içermeyen içi boş bir kabuktur. Bir parçacığın yanma süresinin boyutuna bağlılığı formül (simetrik yanma) ile ifade edilir.

Alüminyumun su buharında yanması

Alüminyumun su buharında tutuşması heterojen bir şekilde gerçekleşir. Reaksiyon sırasında açığa çıkan hidrojen, oksit filminin tahrip olmasına katkıda bulunur; bu durumda sıvı alüminyum oksit (veya hidroksit), çapı 10-15 mikrona kadar damlacıklar halinde püskürtülür. Oksit kabuğunun bu şekilde yok edilmesi periyodik olarak tekrarlanır. Bu, metalin önemli bir kısmının parçacığın yüzeyinde yandığını göstermektedir.

Yanmanın başlangıcında rsv oranı /R 0, 1,6-1,7'ye eşittir. Yanma işlemi sırasında parçacık boyutu küçülür ve gs/?o oranı 2,0-3,0'a yükselir. Bir alüminyum parçacığının su buharındaki yanma hızı, havadakinden neredeyse 5 kat daha fazladır.

Alüminyum-magnezyum alaşımlarının yanması

Alüminyum-magnezyum alaşımlarının havada yanması

Değişken bileşime sahip alüminyum-magnezyum alaşım parçacıklarının havada, oksijen-argon karışımlarında, su buharında ve karbondioksitte ateşlenmesi, kural olarak, magnezyum parçacıklarının ateşlenmesine benzer şekilde ilerler. Tutuşmanın başlangıcından önce yüzeyde meydana gelen oksidatif reaksiyonlar gelir.

Alüminyum-magnezyum alaşımlarının yanması, hem alüminyum hem de magnezyumun yanmasından önemli ölçüde farklıdır ve büyük ölçüde alaşımdaki bileşenlerin oranına ve oksitleyici ortamın parametrelerine bağlıdır. Alaşım parçacıklarının yanmasının en önemli özelliği iki aşamalı süreçtir (Şekil 2.6). İlk aşamada parçacık, reaksiyon ürünlerinin düzgün olmayan bir ışıldama bölgesini oluşturan bir dizi meşale ile çevrelenir. Yanmanın ilk aşamasında alaşım parçacığını çevreleyen aydınlık bölgenin doğası ve boyutunu, yanan magnezyum parçacığının etrafındaki ışıklı bölgenin doğası ve boyutuyla karşılaştırırsak (bkz. Şekil 2.4), bu aşamada esas olarak magnezyumun olduğu sonucuna varabiliriz. parçacıktan yanar.

Pirinç. 2.6. Hacimce %15 O içeren bir karışımda %30 Al + %70 Mg'den oluşan bir alaşım partikülünün normal atmosfer basıncında yanması 2ve %85 Ar:

1, 2 – magnezyum tükenmişliği; 3-6 – alüminyum tükenmişliği

Alaşım yanmasının ilk aşamasının bir özelliği, parçacık boyutunun ve alev bölgesinin sabit olmasıdır. Bu, alaşımın sıvı damlasının katı bir oksit kabuk içinde bulunduğu anlamına gelir. Oksit filme magnezyum oksit hakimdir. Film kusurları nedeniyle magnezyum dışarı akar ve buhar fazlı difüzyon alevinde yanar.

İlk aşamanın sonunda, parçacığın yüzeyinde parlak parlaklık odaklarının ortaya çıkmasıyla kanıtlandığı gibi, heterojen reaksiyonların ortaya çıkışı artar. Heterojen reaksiyonlar sırasında açığa çıkan ısı, parçacığın oksidin erime noktasına kadar ısıtılmasına ve yanmanın ikinci aşamasının başlangıcına katkıda bulunur.

Yanmanın ikinci aşamasında parçacık, metal yandıkça azalan, düzgün, daha parlak bir parlama bölgesi ile çevrelenir. Alev bölgesinin homojenliği ve küreselliği, parçacığın yüzeyindeki oksit filminin erimiş olduğunu gösterir. Metalin film boyunca difüzyonu, sıvı oksidin düşük difüzyon direnci ile sağlanır. Alev bölgesinin boyutu, metalin buhar fazında yandığını gösteren parçacık boyutunu önemli ölçüde aşar. Yanmanın ikinci aşamasının doğasının bilinen alüminyum yanma modeliyle karşılaştırılması büyük bir benzerliğe işaret etmektedir; sürecin bu aşamasında alüminyumun yanması muhtemeldir. Yandıkça alevin boyutu ve dolayısıyla yanan damla azalır. Yanmış parçacık uzun süre parlar.

Açıklanan mekanizmaya göre yanan bir parçacığın parlama bölgesinin boyutunu değiştirmek karmaşıktır (Şekil 2.7). Ateşlemeden sonra değer R St. /R 0 hızlı bir şekilde (-0,1 ms içinde) maksimum değere ulaşır (bölüm ab). Ayrıca, yanmanın ilk aşamasının ana süresi boyunca, oran R st/ R 0 sabit kalır (bölüm bv). Magnezyum tükenmişliği sona erdiğinde, RÖzgeçmiş/ R 0 minimuma indirilir (nokta G), ve daha sonra alüminyum yanmasının başlamasıyla artar (bölüm tanrım). Sonunda, ancak alüminyum yandıkça R St. /R 0 monoton olarak azalır (bölüm de) oluşan oksidin boyutuna karşılık gelen bir nihai değere kadar.

Pirinç. 2.7.:

1 – alaşım %30 Al + %70 Mg, hava; 2 – alaşım %30 A1 + %70 Mg, karışım %15 O2 + %85 Ar; 3 – alaşım %50 A1 + %50 Mg, hava

Alüminyum-magnezyum alaşımlarının yanma sürecinin mekanizması ve parametreleri önemli ölçüde alaşımın bileşimine bağlıdır. Alaşımdaki magnezyum içeriğinin azalmasıyla birlikte yanmanın ilk aşamasındaki parlama bölgesinin boyutu ve bu aşamanın süresi azalır. Alaşımdaki magnezyum içeriği %30'un altında olduğunda süreç iki aşamalı bir süreç olarak kalır ancak aralıklı hale gelir. İlk aşamanın sonunda, parlama bölgesi parçacığın boyutuna küçülür, yanma süreci durur ve alüminyum ancak parçacık yeniden ateşlendikten sonra yanar. Tekrar tutuşmayan parçacıklar, içinde yanmamış alüminyum damlacıkları içeren içi boş, gözenekli oksit kabuklardır.

Parçacıkların yanma süresinin başlangıç ​​çaplarına bağımlılığı aşağıdaki ampirik formüllerle ifade edilir:

Alüminyum-magnezyum alaşımlarının oksijen ve argon karışımlarında, su buharında ve karbondioksitte yanması.

Alüminyum-magnezyum alaşımlarının parçacıklarının oksijen-argon karışımlarında yanma doğası havadakiyle aynıdır. Oksijen içeriğindeki azalmayla birlikte, magnezyum yanması sırasında parlama bölgesinin boyutu gözle görülür şekilde azalır. % 50 Al + % 50 Mg alaşımının parçacıklarının yanma süresinin karışımdaki parçacık boyutuna ve oksijen içeriğine hacim yüzdesi cinsinden bağımlılığı aşağıdaki formülle ifade edilir:

Alaşımların su buharında yanması önemli ölçüde farklıdır (Şekil 2.8). İlk aşamada oluşan oksit filmi hidrojen tarafından yok edilir ve parçacık mercan görünümüne bürünür. Mercanda kalan alüminyum, ilk aşamanın bitiminden sadece 1-10 ms sonra tutuşur. Sürecin bu şekilde kesintili olması, herhangi bir bileşimdeki alaşımlar için tipiktir.

Pirinç. 2.8. Alüminyum-magnezyum alaşımı parçacıklarının (50:50) küresel yanması(A) ve yanlış(B) Normal atmosfer basıncında su buharında oluşur:

1 – başlangıç ​​parçacık; 2 – tutuşmadan önceki parçacık; 3 – magnezyum tükenmişliği; 4 – alüminyum tükenmişliği; 5 – Parçacıktan sonra oluşan mercan

Alüminyum-magnezyum alaşımları karbondioksitte yandığında, parçacıktan yalnızca magnezyum yanar ve ardından yanma işlemi durur.

Alüminyum-magnezyum alaşımlarının yüksek sıcaklıkta alevde yanması

Metal parçacıklarının yüksek sıcaklıklarda yanma sürecini incelemek için, hesaplanan yanma sıcaklıkları 2500, 2700 ve 3100 K olan amonyum perklorat ve heksamin karışımlarından oluşan preslenmiş bir tablet, bir iğnenin ucuna monte edilen bir parçacık altında yakıldı.

Bu koşullar altında alüminyum-magnezyum alaşımı parçacıklarının yanması, kural olarak bir patlamayla meydana gelir. Bir patlamanın varlığı, tüm bileşimlerdeki parçacıklar için tipiktir. Patlama sonucunda, buhar fazlı yanmanın baskınlığının bir işareti olan önemli bir lüminesans bölgesi oluşur. Yanma başlangıcında yanan bir parçacığın fotoğrafları (Şekil 2.9, A), oksit kabuğunun tüm yüzeyi üzerinde heterojen reaksiyonların meydana geldiğini göstermektedir. Heterojen reaksiyonların ısısı nedeniyle metalin hızlı buharlaşması meydana gelir (Şekil 2.9, B), oksit kabuğunun yırtılmasını ve buharlaşmamış damlanın sıçramasını teşvik eder (Şekil 2.9, V).

Pirinç. 2.9. %95 Al alaşım partikülünün yanması oksitleyici alevde %5 Mg ile (sıcaklık 2700 K):

A– yanmanın ilk aşaması; B– sabit yanma; V- ayrılmak

B. G. Lrabey, S. E. Salibekov ve Yu. V. Leninsky'ye göre, alüminyum-magnezyum alaşımı parçacıklarının ezilmesi, magnezyum ve alüminyumun kaynama sıcaklıklarındaki çok büyük bir farktan kaynaklanmaktadır, bunun sonucunda parçacık ne zaman magnezyumun kaynaması meydana gelir? Yüksek sıcaklık bölgesinde olması patlayıcıdır ve kalan alüminyumun ezilmesine neden olur. Patlayıcı yanmanın meydana gelmesi için 2500 K'lık bir sıcaklık zaten yeterlidir ve bu sıcaklık her iki bileşenin kaynama noktasını aştığı için oldukça doğaldır.

• Arabey B.G., Salibekov S.E., Levinsky Yu.V. Metal tozunun tutuşması ve yanmasının bazı özellikleri // Toz metalurjisi. 1964. No. 3. S. 109-118.

Devam eden süreçlerin yasalarını formüle etmek için, kendilerini reaksiyona katılmadıkları için katyonları dikkate almak ve anyonları hariç tutmakla sınırlayabiliriz. (Ancak, birikme hızı anyonların türünden etkilenir.) Basitleştirmek amacıyla, hem salınan hem de çözünen metallerin iki değerlikli olduğunu varsayarsak, o zaman şunu yazabiliriz:

Ben 1 + Ben 2 2+ => Ben 1 2+ + Ben 2

Üstelik ilk deney için Me 1 = Fe, Me 2 = Cu. Dolayısıyla süreç, her iki metalin atomları ve iyonları arasındaki yüklerin (elektronların) değişiminden oluşur. Demirin çözünmesini veya bakırın çökelmesini (ara reaksiyonlar olarak) ayrı ayrı ele alırsak, şunu elde ederiz:

Fe => Fe 2+ + 2е -
Çu 2+ + 2е - => Çu

Şimdi bir metalin, stres serisindeki konumu nedeniyle değişimi imkansız olan bir katyonla suya veya tuz çözeltisine daldırıldığı durumu düşünün. Buna rağmen metal iyon formunda çözeltiye girme eğilimindedir. Bu durumda metal atomu iki elektron verir (eğer metal iki değerlikli ise), çözeltiye batırılan metalin yüzeyi çözeltiye göre negatif yüklü hale gelir ve arayüzde çift elektrik katmanı oluşur. Bu potansiyel fark metalin daha fazla çözünmesini önler, böylece süreç kısa sürede durur. İki farklı metal bir çözeltiye daldırılırsa, her ikisi de yüklenecektir, ancak daha az aktif olan, atomlarının elektron kaybetmeye daha az eğilimli olması nedeniyle biraz daha zayıf olacaktır. Her iki metali de bir iletkenle bağlayalım. Potansiyel fark nedeniyle, elektron akışı daha aktif metalden daha az aktif olana doğru akacak ve bu da elementin pozitif kutbunu oluşturacaktır. Daha aktif metalin çözeltiye girdiği ve çözeltideki katyonların daha soy metal üzerine salındığı bir süreç meydana gelir.

Galvanik hücrenin özü

Şimdi yukarıda verilen (üstelik büyük bir basitleştirmeyi temsil eden) biraz soyut akıl yürütmeyi birkaç deneyle örnekleyelim.

Öncelikle 250 ml'lik bir beheri %10'luk sülfürik asit çözeltisiyle ortasına kadar doldurun ve içine çok küçük olmayan çinko ve bakır parçalarını batırın. Her iki elektroda da uçları çözeltiye temas etmemesi gereken bakır teli lehimliyor veya perçinliyoruz.

Telin uçları birbirine bağlanmadığı sürece çinkonun çözünmesini ve buna hidrojen salınmasını gözlemleyeceğiz. Gerilim serisinden de anlaşılacağı gibi çinko, hidrojenden daha aktiftir, dolayısıyla metal, hidrojeni iyonik durumdan çıkarabilir. Her iki metal üzerinde de elektriksel bir çift katman oluşur. Elektrotlar arasındaki potansiyel farkını tespit etmenin en kolay yolu voltmetre kullanmaktır. Cihazı devreye bağladıktan hemen sonra ok yaklaşık 1 V'yi gösterecektir, ancak ardından voltaj hızla düşecektir. Elemana 1 V tüketen küçük bir ampul bağlarsanız, ilk başta oldukça güçlü bir şekilde yanacaktır ve ardından parlaklık zayıflayacaktır.

Cihaz terminallerinin polaritesine dayanarak bakır elektrotun pozitif kutup olduğu sonucuna varabiliriz. Bu, prosesin elektrokimyası dikkate alınarak cihaz olmadan kanıtlanabilir. Küçük bir beher veya test tüpünde doymuş bir sofra tuzu çözeltisi hazırlayalım, yaklaşık 0,5 ml fenolftalein göstergesinin alkol çözeltisini ekleyelim ve her iki elektrotu tel ile kapatarak çözeltiye daldıralım. Katotta sodyum hidroksit oluşması nedeniyle negatif kutbun yakınında soluk kırmızımsı bir renk gözlenecektir.

Diğer deneylerde, bir hücreye çeşitli metal çiftleri yerleştirilebilir ve ortaya çıkan voltaj belirlenebilir. Örneğin, magnezyum ve gümüş, aralarındaki önemli mesafe ve bir dizi voltaj nedeniyle özellikle büyük bir potansiyel farkı verirken, çinko ve demir ise tam tersine, bir voltun onda birinden daha az, çok küçük bir potansiyel farkı verecektir. Alüminyum kullandığımızda pasivasyondan dolayı neredeyse hiç akım almayacağız.

Tüm bu elemanlar veya elektrokimyacıların dediği gibi devreler, akımı ölçerken aralarındaki voltajın çok hızlı düşmesi gibi bir dezavantaja sahiptir. Bu nedenle, elektrokimyacılar her zaman voltajın gerçek değerini enerjisiz durumdaki yöntemi kullanarak ölçerler. gerilim telafisi yani onu başka bir akım kaynağının voltajıyla karşılaştırmak.

Bakır-çinko elementindeki süreçleri biraz daha detaylı ele alalım. Katotta çinko aşağıdaki denkleme göre çözeltiye girer:

Zn => Zn 2+ + 2e -

Bakır anotta sülfürik asidin hidrojen iyonları boşaltılır. Çinko katottan gelen telden gelen elektronları bağlarlar ve bunun sonucunda hidrojen kabarcıkları oluşur:

2Н + + 2е - => H 2

Kısa bir süre sonra bakır, ince bir hidrojen kabarcıkları tabakasıyla kaplanacaktır. Bu durumda bakır elektrot hidrojene dönüşecek ve potansiyel fark azalacaktır. Bu süreç denir kutuplaşma elektrot. Bakır elektrotun polarizasyonu, voltaj düşüşünden sonra hücreye bir miktar potasyum dikromat çözeltisi eklenerek ortadan kaldırılabilir. Bundan sonra, potasyum dikromat hidrojeni suya oksitleyeceğinden voltaj tekrar artacaktır. Potasyum dikromat bu durumda şu şekilde hareket eder: depolarizatör

Uygulamada, elektrotları polarize olmayan galvanik devreler veya depolarizatörler eklenerek polarizasyonu ortadan kaldırılabilen devreler kullanılır.

Polarize olmayan bir elemente örnek olarak, geçmişte akım kaynağı olarak sıklıkla kullanılan Daniel elementini düşünün. Bu aynı zamanda bir bakır-çinko elementidir, ancak her iki metal de farklı çözeltilere daldırılmıştır. Çinko elektrot, seyreltik (yaklaşık %20) sülfürik asitle doldurulmuş gözenekli bir kil hücresine yerleştirilir. Kil hücresi, konsantre bir bakır sülfat çözeltisi içeren büyük bir cam içinde süspanse edilir ve altta bir bakır sülfat kristalleri tabakası bulunur. Bu kaptaki ikinci elektrot bakır levhadan yapılmış bir silindirdir.

Bu eleman bir cam kavanozdan, piyasada satılan bir kil hücresinden (aşırı durumlarda, alttaki deliği kapatan bir saksı kullanırız) ve uygun boyutta iki elektrottan yapılabilir.

Hücrenin çalışması sırasında çinko, çinko sülfat oluşturmak üzere çözünür ve bakır elektrotta metalik bakır açığa çıkar. Ancak aynı zamanda bakır elektrot polarize değildir ve eleman yaklaşık 1 V'luk bir voltaj üretir. Aslında teorik olarak terminallerdeki voltaj 1,10 V'tur, ancak akımı toplarken elektrik nedeniyle biraz daha düşük bir değer ölçüyoruz. Hücrenin direnci.

Akımı elementten uzaklaştırmazsak, çinko elektrodu sülfürik asit çözeltisinden çıkarmamız gerekir, çünkü aksi takdirde çözünerek hidrojen oluşturacaktır.

Gözenekli bir bölme gerektirmeyen basit bir hücrenin diyagramı şekilde gösterilmiştir. Çinko elektrot cam kavanozun üst kısmında bulunur ve bakır elektrot tabana yakın bir yerde bulunur. Hücrenin tamamı doymuş bir sofra tuzu çözeltisi ile doldurulur. Kavanozun dibine bir avuç bakır sülfat kristali yerleştirin. Ortaya çıkan konsantre bakır sülfat çözeltisi sofra tuzu çözeltisiyle çok yavaş karışacaktır. Bu nedenle hücre çalıştığında bakır elektrot üzerinde bakır açığa çıkacak ve çinko, hücrenin üst kısmında sülfat veya klorür formunda çözünecektir.

Günümüzde neredeyse yalnızca piller için kullanılıyorlar. kuru elemanlar, kullanımı daha uygun olan. Ataları Leclanche unsurudur. Elektrotlar bir çinko silindir ve bir karbon çubuktur. Elektrolit esas olarak amonyum klorürden oluşan bir macundur. Çinko macun içinde çözünür ve kömürün üzerinde hidrojen açığa çıkar. Polarizasyonu önlemek için karbon çubuk, kömür tozu ve piroluzit karışımı içeren keten bir torbaya batırılır. Karbon tozu elektrot yüzeyini arttırır ve piroluzit, hidrojeni yavaşça oksitleyen bir depolarizatör görevi görür. Doğru, piroluzitin depolarizasyon yeteneği daha önce bahsedilen potasyum bikromatınkinden daha zayıftır. Bu nedenle kuru elemanlara akım alındığında voltaj hızla düşer, polarizasyondan dolayı “yorulurlar”. Ancak bir süre sonra hidrojenin pirolusit ile oksidasyonu meydana gelir. Böylece, bir süre akım geçmediği takdirde elementler "dinlenir". Bunu bir ampul bağladığımız el feneri pilinde kontrol edelim. Lambaya paralel, yani doğrudan terminallere bir voltmetre bağlarız. İlk başta voltaj yaklaşık 4,5 V olacaktır. (Çoğunlukla bu tür pillerde, her biri 1,48 V teorik voltaja sahip seri bağlı üç hücre bulunur.) Bir süre sonra voltaj düşecek ve ampulün parlaklığı artacaktır. zayıflatmak. Voltmetre okumalarına dayanarak pilin ne kadar dinlenmesi gerektiğine karar verebiliriz.

Piller olarak bilinen yenileyici elemanlar tarafından özel bir yer işgal edilir. Tersine çevrilebilir reaksiyonlara girerler ve hücre deşarj olduktan sonra harici bir DC kaynağına bağlanarak yeniden şarj edilebilirler.

Şu anda kurşun-asit piller en yaygın olanıdır; İçlerindeki elektrolit, içine iki kurşun plakanın daldırıldığı seyreltik sülfürik asittir. Pozitif elektrot kurşun peroksit PbO2 (modern adı kurşun dioksittir) ile kaplanmıştır, negatif elektrot ise metalik kurşundur. Terminallerdeki voltaj yaklaşık 2,1 V'tur. Deşarj sırasında her iki plakada da kurşun sülfat oluşur ve şarj sırasında yine metalik kurşun ve kurşun peroksite dönüşür.