Щелочной марганцево-цинковый элемент. Контактная разность потенциалов. Манганаты.

[avg]

1 час назад, Анатолий Алтухов сказал:

Мнения разделились.  Жаль, что корпус батарейки не прозрачен и нельзя увидеть цвет электролита.

Хорошо, если убрать органику и диоксид марганца совсем.

Берем цинковый электрод и железный, погружаем в щелочной раствор перманганата калия 

 

Перманганат в щелочном растворе переходит в манганат.

[Анатолий Алтухов]

1 час назад, avg сказал:

Перманганат в щелочном растворе переходит в манганат.

Тогда осмелюсь предположить, что работа батареи идет когда контакты замкнуты по такой химической реакции. Причем с поглощение тепла электролита.

Mn(OH)3 + e- → Mn(OH)2 + OH-	1
MnO42- - e- → MnO4-	1
Mn(OH)3 + MnO42- → Mn(OH)2 + OH- + MnO4- Стандартная ЭДС реакции: ΔEo = -0.464 В Стандартное изменение энергии Гиббса: ΔGo = 44.77 кДж Реакция не может протекать самопроизвольно.

1 час назад, avg сказал:

Перманганат в щелочном растворе переходит в манганат.

А когда контакты разомкнуты - перманганат восстанавливается на материале анода обратно до манганата. Реакция идет уже самопроизвольно с выделением тепла. 

MnO4- + e- → MnO42-     1 Mn(OH)2 + OH- - e- → Mn(OH)3     1 MnO4- + Mn(OH)2 + OH- → MnO42- + Mn(OH)3

 

Стандартная ЭДС реакции: ΔEo = 0.464 В Стандартное изменение энергии Гиббса: ΔGo = -44.77 кДж Реакция протекает самопроизвольно.

[Анатолий Алтухов]

2 часа назад, dzetta сказал:

Спасибо за приглашение, но тут я вам врядли помогу. Для понимания процессов проходящих в батарейки мало химических процессов. Посмотрите что такое столб Замбони.

смотрел.

Меня больше заинтересовала батарея Василеску Карпена (Karpen Pile). 

Попробую аналогично по аналогичной схеме описать и её работу.

Работа выхода электрона из золота 4,58 эВ. Работа выхода электрона из платины - 5,30 эВ.

Итого имеем контактную разность потенциалов этих благородных металлов 5,30-4,58= 0,72 В. Так как у платины работа выхода больше, то электроны из золота она потянет на себя. А значит патина будет катодом, а золото анодом.

Первая реакция в момент работы батареи (эндотермическая). Вторая в момент отдыха батареи (экзотермическая). 

Pt(OH)2 + 2H+ + 2e- → Pt + 2H2O     1 Au+ - 2e- → Au3+     1 Pt(OH)2 + 2H+ + Au+ → Pt + 2H2O + Au3+

 

Стандартная ЭДС реакции: ΔEo = -0.421 В Стандартное изменение энергии Гиббса: ΔGo = 81.24 кДж Реакция не может протекать самопроизвольно.   Au3+ + 2e- → Au+     1 Pt + 2H2O - 2e- → Pt(OH)2 + 2H+     1 Au3+ + Pt + 2H2O → Au+ + Pt(OH)2 + 2H+   Стандартная ЭДС реакции: ΔEo = 0.421 В Стандартное изменение энергии Гиббса: ΔGo = -81.24 кДж Реакция протекает самопроизвольно.

 

[FixMe]

2 часа назад, Анатолий Алтухов сказал:

Работа выхода электрона из золота 4,58 эВ. Работа выхода электрона из платины - 5,30 эВ.

Итого имеем контактную разность потенциалов этих благородных металлов 5,30-4,58= 0,72 В. Так как у платины работа выхода больше, то электроны из золота она потянет на себя. А значит патина будет катодом, а золото анодом.

Как раз таки платина тут будет анодом, потому что её потенциал, меньше, чем у золота. (Pt/Pt2+ = +1,2 В, Au/Au3+ = +1,5 В). Активность металлов (стандартный окислительно-восстановительный потенциал) определяется не только работой выхода электрона, но и рядом других факторов, таких как энергия сольватации иона, координационное число сольватной оболочки и другие. Да и элемент такой будет работать только на бумаге, ну или в очень агрессивном растворителе, типа конц HNO3 и тд, ведь даже с ЭДС 1,0 В вы не растворите платиновый анод. 

[avg]

Такие пары вообще могут работать как фотоэлемент.

[Анатолий Алтухов]

10 часов назад, FixMe сказал:

Как раз таки платина тут будет анодом, потому что её потенциал, меньше, чем у золота. (Pt/Pt2+ = +1,2 В, Au/Au3+ = +1,5 В). Активность металлов (стандартный окислительно-восстановительный потенциал) определяется не только работой выхода электрона, но и рядом других факторов, таких как энергия сольватации иона, координационное число сольватной оболочки и другие. Да и элемент такой будет работать только на бумаге, ну или в очень агрессивном растворителе, типа конц HNO3 и тд, ведь даже с ЭДС 1,0 В вы не растворите платиновый анод. 

Платиновый электрод не будет растворяться, его поверхность будут окислять ионы золота Au3+, которые к нему диффундировали:

Au³⁺ + Pt + 2H₂O → Au⁺ + Pt(OH)₂ + 2H⁺

 

А уже когда элемент будет работать как батарея, то реакции будут идти в обратном направлении раздельно на каждом электроде уже за счет контактной разности потенциалов, пока не окислятся ионы золота и не восстановится платина:

На золоте: Au⁺ - 2e^- → Au³⁺ 

На платине: Pt(OH)₂ + 2H⁺ + 2e^- → Pt + 2H₂O

 

[Анатолий Алтухов]

12 часов назад, avg сказал:

Такие пары вообще могут работать как фотоэлемент.

Какие?

[Ruslan_Sharipov]

10.04.2020 в 19:47, Анатолий Алтухов сказал:

Мнения разделились.

Есть книга Руководство к лабораторным работам по общей и неорганической химии, под ред. проф. Ф.Я. Кульба, Химия, 1976. В ней на странице 243 написано:

 

В щелочах цинк растворяется, образуя цинкат ион: Zn + 2 OH^– ↔ ZnO₂^2– + H₂↑.

 

Интересно, как реакция может быть равновесной, если водород уходит наверх? Далее на той же странице написаны реакции:

 

Zn + 4 OH^– – 2 e^– → [Zn(OH)4]^2–  или  Zn + 4 OH^– – 2 e^– = ZnO₂^2– + 2 H₂O.

 

Эти данные говорят в пользу мнения от Paul_S, что окислившийся цинк будет плавать в виде аниона.

[Анатолий Алтухов]

50 минут назад, Ruslan_Sharipov сказал:

Есть книга Руководство к лабораторным работам по общей и неорганической химии, под ред. проф. Ф.Я. Кульба, Химия, 1976. В ней на странице 243 написано:

 

В щелочах цинк растворяется, образуя цинкат ион: Zn + 2 OH^– ↔ ZnO₂^2– + H₂↑.

 

Интересно, как реакция может быть равновесной, если водород уходит наверх? Далее на той же странице написаны реакции:

 

Zn + 4 OH^– – 2 e^– → [Zn(OH)4]^2–  или  Zn + 4 OH^– – 2 e^– = ZnO₂^2– + 2 H₂O.

 

Эти данные говорят в пользу мнения от Paul_S, что окислившийся цинк будет плавать в виде аниона.

Но весь ведь не сможет плавать, при какой-то концентрации он наверно станет выпадать в осадок.

Вопрос вот еще в чем, может ли марганец в виде катионов манганатов попадать к цинковому аноду и восстанавливаться на нем до диоксида марганца, а затем при повторной зарядке диоксид марганца восстанавливаться до металлического марганца?

[Электрофил]

Все таки восстановление цинка при зарядке обычной "алкалиновой" батарейки происходит. Лично разбирал такую батарейку после нескольких циклов, работали в фонарике, заряжал малым током порядка десятков миллиампер несколько суток, контролировал по напряжению. Одна из трех последовательно работавших батареек (как на заряде, так и в фонарике) внезапно саморазрядилась за сутки-двое хранения. Цинковые дендриты проросли  и замкнули , при вскрытии батарейки их было видно невооружённым Г.