Соленая батарейка. Что да как?

[CTAKPAT]

Заранее извиняюсь, я не химик по профессии, так что не будьте строги. 

Я тут заинтересовался самодельными батарейками. И занялся конструированием самой простой с солевым раствором в качестве электролита.

Меня интересует какие химические продукты выделяющиеся в гальваническом элементе состоящим из соляного раствора NaCl•H2O и электродов из алюминия (фольга) и графита.

 

Могу предположить следующее:

1.Натрий оседает на катоде (углероде, точнее графите) и не вступает с ним в реакцию.

Хлор также оседает, но на аноде (алюминий, в моем случае фольга) и не вступает с ним в реакцию. 

2. Либо...

Далее натрий осевший на катоде реагирует с водой:

4Na + O2 +2H2O = 4NaOH

И щелочь NaOH реагирует с алюминием (что мне кажется маловероятно):

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

Или хлором, который осел на катод (что мне кажется более вероятным):

2NaOH + Cl2 = NaClO + NaCl + H2O

А хлор, частично, вступает в реакцию с алюминием и в результате AlCl3 выпадает в осадок.

И далее, AlCl3 реагирует со щелочью:

AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3↓ + 3NaCl

 

Мой элемент длительное время способен выдавать напряжение в 0.3 вольта, 

но если периодически протирать графит, то напряжение возрастает примерно в двое, до 0.6 вольт, но очень скоро падает до 0.5. А через час, после протирания, падает до 0.3 вольт. Правда это все без нагрузки (если не считать сопротивление старенького вольтметра). При том, что если протирать фольгу, то особого подъема напряжения я не заметил.

 

Далее, я заметил, что можно и не протирать катод, а сделать два катода соединенного одним проводом.При этом в то время как первый катод находится в растворе, второй сушится на воздухе. Когда напряжение падает до 0.3 то, если их поменять местами, вижу, что напряжение возрастает до 0.5, но в течении пары минут падает до 0.4. И если каждый раз так менять катоды с периодом в семь минут, то напряжение меньше 0.35 вольт не упадет. Я так подумал, а что если катодов будет не два а пять, к примеру, то время смены можно уменьшить, а среднее напряжение возрастет.

 

Про это я сумел найти только то, что при прерывистом разряде большими и средними токами работоспособность батареек заметно увеличивается по сравнению с непрерывным режимом работы.

 

С тем же эффектом можно второй катод и не вынимать из раствора, а лишь провод коннектить то с одним, то с другим катодом... То есть если сделать некий электронный прерыватель работающий на той же батарейке которую он и регулирует, который переключатся между катодами, то напряжение можно усреднить и до 0.5 вольт. Я не физик, и не так хорошо знаком с электроникой, но мне кажется это очень интересным 

 

Итак, мои вопросы:

1. Почему так происходит с двумя катодами?

2. Какие все же реакции протекают в таком элементе?

Изменено 27 Июля, 2014 в 21:01 пользователем CTAKPAT

[yatcheh]

 

Заранее извиняюсь, я не химик по профессии, так что не будьте строги. 

Я тут заинтересовался самодельными батарейками. И занялся конструированием самой простой с солевым раствором в качестве электролита.

Меня интересует какие химические продукты выделяющиеся в гальваническом элементе состоящим из соляного раствора NaCl•H2O и электродов из алюминия (фольга) и графита.

 

Могу предположить следующее:

1.Натрий оседает на аноде (углероде, точнее графите) и не вступает с ним в реакцию.

Хлор также оседает, но на катоде (алюминий, в моем случае фольга) и не вступает с ним в реакцию. 

2. Либо...

Далее натрий осевший на аноде реагирует с водой:

4Na + O2 +2H2O = 4NaOH

И щелочь NaOH реагирует с алюминием (что мне кажется маловероятно):

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

Или хлором, который осел на катод (что мне кажется более вероятным):

2NaOH + Cl2 = NaClO + NaCl + H2O

А хлор, частично, вступает в реакцию с алюминием и в результате AlCl3 выпадает в осадок.

И далее, AlCl3 реагирует со щелочью:

AlCl3 + 3NaOH = Al(OH)3↓ + 3NaCl

 

Мой элемент длительное время способен выдавать напряжение в 0.3 вольта, 

но если периодически протирать графит, то напряжение возрастает примерно в двое, до 0.6 вольт, но очень скоро падает до 0.5. А через час, после протирания, падает до 0.3 вольт. Правда это все без нагрузки (если не считать сопротивление старенького вольтметра). При том, что если протирать фольгу, то особого подъема напряжения я не заметил.

 

Далее, я заметил, что можно и не протирать анод, а сделать два анода соединенного одним проводом.При этом в то время как первый анод находится в растворе, второй сушится на воздухе. Когда напряжение падает до 0.3 то, если их поменять местами, вижу, что напряжение возрастает до 0.5, но в течении пары минут падает до 0.4. И если каждый раз так менять аноды с периодом в семь минут, то напряжение меньше 0.35 вольт не упадет. Я так подумал, а что если анодов будет не два а пять, к примеру, то время смены можно уменьшить, а среднее напряжение возрастет.

 

Про это я сумел найти только то, что при прерывистом разряде большими и средними токами работоспособность батареек заметно увеличивается по сравнению с непрерывным режимом работы.

 

С тем же эффектом можно второй анод и не вынимать из раствора, а лишь провод коннектить то с одним, то с другим анодом... То есть если сделать некий электронный прерыватель работающий на той же батарейке которую он и регулирует, который переключатся между анодами, то напряжение можно усреднить и до 0.5 

вольт. Я не физик, и не так хорошо знаком с электроникой, но мне кажется это очень интересным 

 

Итак, мои вопросы:

1. Почему так происходит с двумя анодами?

2. Какие все же реакции протекают в таком элементе?

 

 

Нет там ни натрия, ни хлора. Всё сводится к растворению алюминия в воде:

Al + 3H2O = Al(OH)3 + 3/2H2

На аноде (алюминий):

Al - 3e^- = Al³⁺

На катоде:

3H2O + 3e^- = 3OH- + 3/2H2

На аноде идёт мгновенный гидролиз по катиону, и осаждается гидроксид алюминия, поэтому напряжение падает. А что касается остальных эффектов - то это уже какая-то механика, очистка анода.

[CTAKPAT]

Нет там ни натрия, ни хлора. Всё сводится к растворению алюминия в воде:

Al + 3H2O = Al(OH)3 + 3/2H2

На аноде (алюминий):

Al - 3e^- = Al³⁺

На катоде:

3H2O + 3e^- = 3OH- + 3/2H2

На аноде идёт мгновенный гидролиз по катиону, и осаждается гидроксид алюминия, поэтому напряжение падает. А что касается остальных эффектов - то это уже какая-то механика, очистка анода.

То есть получается можно обойтись просто дистиллированной водой? Не думал что вода способна так просто растворить алюминий)

[yatcheh]

То есть получается можно обойтись просто дистиллированной водой? Не думал что вода способна так просто растворить алюминий)

 

Э нет! Дистиллированной водой не обойтись! NaCl в вашей системе - это фоновый электролит, обеспечивающий перенос электронов. А дистиллировка тока практически не проводит.

Электроны перемещаются по внешней цепи от анода к катоду. Но для постоянного тока их нужно по электролиту обратно доставить - тут ионы, на которые в растворе распадается NaCl, и выполняют эту работу.

 

Кроме того, хлорид-ион выполняет ещё одну важную миссию - он активирует поверхность алюминия. Если заменить на сульфат натрия, например, то батарейка станет хуже работать.

Изменено 27 Июля, 2014 в 20:34 пользователем yatcheh

[CTAKPAT]

Э нет! Дистиллированной водой не обойтись! NaCl в вашей системе - это фоновый электролит, обеспечивающий перенос электронов. А дистиллировка тока практически не проводит.

Электроны перемещаются по внешней цепи от анода к катоду. Но для постоянного тока их нужно по электролиту обратно доставить - тут ионы, на которые в растворе распадается NaCl, и выполняют эту работу.

 

Кроме того, хлорид-ион выполняет ещё одну важную миссию - он активирует поверхность алюминия. Если заменить на сульфат натрия, например, то батарейка станет хуже работать.

Ну это я знал, но не знал, что вода играет какую-то роль в этом процессе... Спасибо.

Но все равно, получается, что на графите что-то оседает, а потом если разорвать цепь и подождать, то напряжение повыситься, так же как если бы протереть графит...

[CTAKPAT]

Я хочу понять физику процесса. Я правильно понял, что в результате реакции:

Al + 3H2O = Al(OH)3 + 3/2H2

на аноде возникает положительный заряд.

И соль NaCl разделяется на два иона Na⁺ и Cl^-. Хлор отдает электрон аноду, то есть становиться электронейтральным... А ион натрия, в свою очередь, "бежит к катоду", чтобы забрать у него электрон.
Возможно ли что именно натрий и осаждается на катоде (графите)?

[dimaxa97]

Я хочу понять физику процесса. Я правильно понял, что в результате реакции:

Al + 3H2O = Al(OH)3 + 3/2H2

на аноде возникает положительный заряд.

И соль NaCl разделяется на два иона Na⁺ и Cl^-. Хлор отдает электрон аноду, то есть становиться электронейтральным... А ион натрия, в свою очередь, "бежит к катоду", чтобы забрать у него электрон.

Возможно ли что именно натрий и осаждается на катоде (графите)?

Нет, невозможно. Натрий активный металл и бурно взаимодействует с водой. Если достаточно большой кусок натрия кинуть в воду, мало никому не покажется, бабахнет.

 

 

При восстановлении H3O+-ионов образуется водород, который не может удалиться (корпус герметичен) и образует вокруг угольного стержня прослойку газа (поляризация угольного электрода). Ток медленно затухает. Чтобы избежать образования водорода, угольный электрод окружают слоем диоксида марганца (MnO2) . В присутствии диоксида марганца H3O+-ионы восстанавливаются с образованием воды: 2MnO2 + 2H3O+ + 2e− → 2MnO(OH) + 2H2O

 

Таким способом избегают поляризации электрода, а диоксид марганца называют деполяризатором.

Вот так вот  Только корпус у вас не герметичен, но все-таки водород может легко задерживаться на поверхности угольного электрода. 

Изменено 28 Июля, 2014 в 03:42 пользователем dimaxa97

[dimaxa97]

Ну это я знал, но не знал, что вода играет какую-то роль в этом процессе... Спасибо.

Но все равно, получается, что на графите что-то оседает, а потом если разорвать цепь и подождать, то напряжение повыситься, так же как если бы протереть графит...

Водород улетел.

 

P.S. Почему тема СОЛЕНАЯ батарейка? Она же солеВая вроде.

Изменено 28 Июля, 2014 в 03:55 пользователем dimaxa97

[CTAKPAT]

Водород улетел.

 

P.S. Почему тема СОЛЕНАЯ батарейка? Она же солеВая вроде.

 

Ошибся 

[CTAKPAT]

Нет, невозможно. Натрий активный металл и бурно взаимодействует с водой. Если достаточно большой кусок натрия кинуть в воду, мало никому не покажется, бабахнет.

 

Вот так вот  Только корпус у вас не герметичен, но все-таки водород может легко задерживаться на поверхности угольного электрода. 

 

То есть я бы прав, что натрий реагирует с водой с образованием щелочи? Но ведь и она продолжает реагировать с анодом:

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

и с тем, что на аноде выделилось:

Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4]

То есть в итоге, на аноде мы получаем Na[Al(OH)4] в осадке и водород, а на катоде, если обойтись без MnO2, только водород. Значит в ходе работы эта батарейка образует H2 и в осадке Na[Al(OH)4]? 

 

Только вот похоже, что Na[Al(OH)4] не оседает а лежит на стенках анода...

 

А что же с хлором происходит? он так же как и водород "улетает"?

Изменено 28 Июля, 2014 в 06:43 пользователем CTAKPAT