Моделирование электрохимических процессов на примере батарейки из апельсина

Fanny Littmarck 03/06/2013
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on Google+ Share this on LinkedIn

Показывали ли вам на уроках химии принцип действия батарейки на примере апельсина или лимона? Вы должны помнить, как учитель волшебным образом проводил электричество между двумя металлическими стержнями, вставленными в цитрусовый фрукт. Что, если сейчас мы расскажем и покажем, как работает батарейка из апельсина, при помощи средств CAE-моделирования? В дальнейшем вы можете использовать эту статью, как введение в электрохимическое моделирование.

Geometry of an orange battery Моделирование электрохимических процессов на примере батарейки из апельсина
Геометрия батарейки из апельсина.

Как работает батарейка из апельсина

Очевидно, что никакой магии здесь нет. Электричество вырабатывается за счёт электрохимических процессов. Цитрусовые содержат лимонную кислоту, которая вместе с другими ионами выступает в роли электролита. Происходит электрохимическая реакция между лимонной кислотой и двумя стержнями, которые должны быть из разных металлов для образования гальванической пары. Чтобы электрическая цепь была замкнута, к стержням подключаем маленькую лампочку. В данном случае стержни являются электродами, а в качестве раствора с ионной проводимостью выступает лимонная кислота в апельсине. Поскольку мы используем химические реакции для превращения химической энергии в электрическую, можно рассматривать батарейку из апельсина, как гальваническую батарейку, так же как и любую другую батарейку, в которой энергия запасена в виде химических веществ.

Луиджи Гальвани и открытие "животного электричества"

Интересный факт: итальянский физик Луиджи Гальвани обнаружил "электричество животного происходжения", когда он прикрепил две пластины из разных металлов к лапкам лягушки и мышцы начали сокращаться, что было вызвано движением ионов. Заинтересовавшись этим фактом, другой итальянский физик Алессандро Вольта провёл собственный эксперимент и пришёл к выводу, что лапки лягушки были одновременно проводником и индикатором электричества. Основываясь на своём исследовании, он открыл электрохимический закон Вольта, который назвали в его честь, а затем в 1800-х — первую батарею.

Моделирование электрохимических процессов на основе примера батарейки из апельсина

Если вы только начинаете изучать электрохимические процессы, начните с нашего учебного примера по моделированию батарейки из апельсина. Следуя пошаговому описанию в прикреплённом PDF-файле, вы можете смоделировать растекание токов и концентрацию растворённых ионов металла в батарейке из апельсина.

Один стержень сделан из цинка, а второй — из меди. Цинковый стержень теряет свои электроны из-за реакции на электроде:

Zn(s) → Zn2+ 2e- E0 = –0.82 V

так что ионы цинка присоединяются к электролиту (лимонной кислоте) в батарее. На поверхности медного стержня положительно заряженные ионы водорода присоединяют электроны и превращаются в атомы, которые объединяются в нейтральную молекулу. Таким образом, медный стержень выступает в роли электрокатализатора.

2H+ + 2e- → H2(g) E0 = 0 V

Физический интерфейс Secondary Current Distribution (Вторичное Распределение Токов) используется для задания токов в модели. В этом физическом интерфейсе протекание тока через электролит мы заменяем движением ионов, в то время как реакции на электродах являются функциями, зависящими от электрического потенциала и концентрации реагирующих веществ. Закон Ома применяется совместно с балансом заряда для расчёта электрических токов в стержнях и электролите, которые, в свою очередь, связаны уравнениями Батлера-Фольмера, описывающими электрохимические реакции. В этом примере на одном из стержней задаётся гальванический потенциал 0.5 V, а второй стержень заземлён. Рассчитывается при этом распределение токов в системе.

После настройки параметров и расчёта модели, можно будет оценить эффективность батарейки из апельсина.

Electrolytes potential field Моделирование электрохимических процессов на примере батарейки из апельсина Nails electric currents Моделирование электрохимических процессов на примере батарейки из апельсина
Распределение электрического потенциала в электролите Распределение плотности токов в стержнях

Как видно на рисунке слева электрический потенциал уменьшается по мере протекания тока от цинкового электрода (левый стержень) к медному (правый стержень). Потери напряжения между стержнями обусловлены активными потерями в электролите. Цитрусы с более высокой проводимостью, то есть содержащие больше лимонной кислоты, например лимоны, были бы более эффективными батарейками. В качестве альтернативы, можно сбилизить стержни. На правом рисунке видно, что ток увеличивается вдоль оси z. Это происходит из-за того, что электроды, погружённые в апельсин, имеют большую площадь соприкосновения с реагирующими элементами и, следовательно, быстрее отдают свои электроны.

Также можно рассчитать концентрацию ионов после включения батарейки и построить зависимость протекающего тока от времени. По мере увеличения ионов цинка, они всё больше препятствуют способности анода реагировать, поэтому ток уменьшается до тех пор, пока не достигнет постоянного значения.

Isosurface for concentration Моделирование электрохимических процессов на примере батарейки из апельсина Cell current vs. time plot1 Моделирование электрохимических процессов на примере батарейки из апельсина
Изоповерхность уровня концентрации ионов цинка 0.2 mol/m3 через 5 минут после включения батарейки. Зависимость тока от времени

Loading Comments...

Categories


Tags