Bartosz Puchalski

Ćwiczenie nr 5

Kontrolowane wyładowanie ogniwa pierwotnego

1. Wstęp teoretyczny.

Ogniwo galwaniczne jest to ogniwo, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą, a elektrolitem. Dwie elektrody zanurzone w elektrolicie, czyli medium, zdolnym do jonowego przewodzenia prądu, tworzą ogniwo galwaniczne. Różnica potencjałów elektrod to siła elektromotoryczna ogniwa (SEM).

Ogniwa galwaniczne dzieli się na:

• ogniwa pierwotne - działają jednorazowo, do momentu wyczerpania;

• ogniwa wtórne - zbudowane z odtwarzalnych materiałów elektrodowych;

• ogniwa paliwowe - pracują tak długo, jak z zewnątrz dostarczane jest paliwo i utleniacz

Przykładem ogniwa pierwotnego jest ogniwo manganowo-cynkowe, zwane ogniwem Leclanchégo. Pierwotnie pręt węglowy umieszczano w porowatym naczyniu napełnionym rozdrobnionym węglem i brausztynem. Składniki te starannie mieszano, a następnie prasowano w celu uzyskania bardzo dobrego kontaktu pomiędzy poszczególnymi ziarnami. W późniejszych wersjach mieszaninie brausztynu i węgla nadawano za pomocą spoiwa kształt walca w środku, którego umieszczano elektrodę cynkową. Elektrolitem był roztwór NH₄Cl, najczęściej 20 %.

Schemat ogniwa Leclanchégo przedstawia się następująco:

(Utl.) Zn (-)  NH₄Cl_(aq)  MnO₂  C (+) (Red.)

Zn Zn²⁺, NH₄Cl, H₂O  MnO₂, C

Zn  NH₄Cl, ZnCl₂  MnO₂, C

Na anodzie zachodzą procesy rozpuszczania cynku:

Zn → Zn²⁺ + 2ē

Na katodzie zachodzi najprawdopodobniej reakcja:

2MnO₂ + 2H+ + 2ē → Mn₂O₃ + H₂O

Sumaryczna reakcja wygląda następująco:

Zn + 2MnO₂ + H₂O → ZnO + 2MnO(OH)

lub

Zn + 2MnO₂ + 2H₂O → Zn(OH)₂ + 2MnO(OH)

Z powyższych reakcji wynika, że potencjał katody zależy od pH roztworu oraz, że w miarę pracy ogniwa przestrzeń katodowa alkalizuje się. Przyczyny te powodują zmianę potencjału katody w czasie pracy ogniwa. Siła elektromotoryczna świeżo przygotowanego ogniwa Leclanchégo zależy od składu materiałów stanowiących elementy ogniwa i wynosi zwykle około 1,5 - 1,65 V.

Podczas pracy ogniwa pierwotnego, czyli ogniwa Leclanche'go napięcie oraz natężenie prądu obniża się wraz z czasem eksploatowania takiego ogniwa. Również przyłożony opór ma duży wpływ na długość pracy ogniwa. Wraz ze wzrostem wartości oporu, długość życia ogniwa gwałtownie maleje. Ogniwa pierwotne, jak wspomniałem wyżej, są ogniwami, w których zachodzą nieodwracalne procesy, w związku, z czym po wyładowaniu, ogniwo takie nie nadaje się do ponownego użytku czy regeneracji.

2. Opis wykonania ćwiczenia.

• Dwie bateryjki, z brausztynem chińskim i brausztynem belgijskim, przygotowane na wcześniejszej pracowni, umieszczono w przyrządzie pomiarowym,

• Zmierzono napięcie i natężenie początkowe dla obu ogniw,

• Do obu baterii przyłożono opór równy 2,5 Ω, po czym rozpoczęto pomiar kontrolowanego rozładowania baterii, poprzez mierzenie napięcia w zależności od czasu, który upłynął od przyłożenia oporu,

• Kontrolowane rozładowywanie baterii prowadzono przez 100 minut.

3. Opracowanie wyników.

1. Wyniki eksperymentalne:

	Brausztyn chiński		Brausztyn belgijski
L.P.	t [min]	U [V]	t [min]	U [V]
1	0,5	0,3110	0,5	0,1100
2	1	0,3080	1	0,0930
3	1,5	0,3190	1,5	0,0880
4	2	0,3300	2	0,0850
5	2,5	0,3350	2,5	0,0830
6	3	0,3390	3	0,0830
7	3,5	0,3430	3,5	0,0820
8	4	0,3460	4	0,0830
9	4,5	0,3470	4,5	0,0850
10	5	0,3480	5	0,0770
11	5,5	0,3480	5,5	0,0840
12	6	0,3470	6	0,0900
13	6,5	0,3470	6,5	0,0960
14	7	0,3460	7	0,1000
15	7,5	0,3460	7,5	0,0990
16	8	0,3450	8	0,1010
17	8,5	0,3450	8,5	0,1020
18	9	0,3460	9	0,1090
19	9,5	0,3460	9,5	0,1120
20	10	0,3460	10	0,1170
21	15	0,3700	15	0,1390
22	20	0,4600	20	0,1500
23	25	0,4790	25	0,1670
24	30	0,4920	30	0,1750
25	35	0,4970	35	0,1160
26	40	0,4970	40	0,1141
27	45	0,4920	45	0,1133
28	50	0,4820	50	0,1128
29	55	0,4700	55	0,1133
30	60	0,4580	60	0,1143
31	65	0,4470	65	0,1159
32	70	0,4360	70	0,1179
33	75	0,4260	75	0,1207
34	80	0,4160	80	0,1247
35	85	0,4070	85	0,1294
36	90	0,3980	90	0,1333
37	95	0,3910	95	0,1361
38	100	0,3920	100	0,1364

2. Natężenie wyznaczono posługując się prawem Ohma:

[A]

;gdzie: U - napięcie [V], R - opór [W], I - natężenie [A]

3. Wykres zależności U = f(t):

4. wykres zależności I = f(t)

4. Wnioski.

Nieregularny przebieg wykresu jest spowodowany tym, iż nasz woltomierz posiadał funkcję automatycznego wyłączania i po jakimś czasie się wyłączał, a po ponownym jego uruchomieniu potrzebował dużo czasu żeby się ponownie ustabilizować - co spowodowało nieodpowiednie odczyty napięcia. Wykresy zależność napięcia w funkcji czasu jak i natężenia w funkcji czasu obrazują lekką przewagę ogniwa zawierającego brausztyn chiński, jeśli chodzi o wartość napięcia i natężenia. Dzięki wykresom możemy zauważyć, iż ogniwo oparte na depolaryzatorze zawierającym brausztyn belgijski wykazuję większą stabilność napięcia i natężenia w czasie wyładowywania. Wadą tego ogniwa jest niewątpliwie mniejsza siła elektromotoryczna. Ogniwo zawierające depolaryzator z brausztynem chińskim miało wyższą wartość siły elektromotorycznej, ale było ono mniej stabilne napięciowo podczas rozładowywania, ponieważ wartość napięcia jak i natężenia spadała dość gwałtownie.

Oba ogniwa są jednak ogniwami kiepskiej jakości, ponieważ po początkowym wzroście natężenia następuje jego gwałtowny spadek, wykres dla brausztynu belgijskiego zdaję się tu odbiegać od tego jednak na skutek błędu wywołanego przez wyłączający się woltomierz nie możemy zbytnio ufać tym wynikom.

---