Меню

Расчет химического источника тока

Химические источники тока. Виды и особенности. Устройство и работа

Химические источники тока (ХИТ) — эта тема имеет высокое практическое значение. Это кардиостимуляторы, электромобили, которые пытаются сохранить экологию, портативные устройства, включая фото и видеотехнику, компьютерную технику, навигаторы. За последние годы прогресс химических источников тока произошел большой, от известных свинцовых аккумуляторов, которые постепенно вытесняются литий-ионными, литий-полимерными и другими аккумуляторами.

В этой области борьба идет за мощность, емкость, которая позволяет максимально долго использовать источники тока. Дополнительным стимулом к их развитию является создание гибких источников тока. Научная составляющая в этой области лежит в плане разработки материалов для таких химических элементов.

Устройство и работа

Химические источники тока состоят из электродов и электролита, который находится в емкости. Электрод, на котором окисляется восстановитель, называется анодом. Электрод, на котором восстанавливается окислитель, называется катодом. В общем получается электрохимическая система.

Попутным результатом такой реакции стало возникновение тока. Восстановитель передает электроны на окислитель, который восстанавливается. Электролит, который находится между электродами, нужен для прохождения реакции. Если перемешать порошки различных двух металлов, то электричество не возникнет, энергия появится в виде теплоты. Электролит необходим для упорядочения процесса движения электронов. Электролит состоит обычно из раствора соли или расплавленного вещества.

Электроды имеют вид решеток или пластин из металла. При помещении их в раствор электролита получается разность потенциалов пластин. Анод отдает электроны, а катод их принимает. На поверхности возникают химические реакции. Когда цепь размыкается, то реакции прекращаются. Если реагенты закончились, то реакция также больше не идет. Если удалить один из электродов, то цепь размыкается.

Khimicheskie istochniki toka foto 1

Из чего состоят химические источники тока

В качестве окислителей применяются соли и кислородосодержащие кислоты, а также нитроорганические вещества, кислород. В качестве восстановителей применяются металлы, оксиды, углеводороды.

Электролит может состоять из:
  • Соли, щелочи и кислоты, растворенные в воде.
  • Соли в растворе, с возможностью электронной проводимости.
  • Расплавленные соли.
  • Твердые вещества с подвижным ионом.
  • Электролиты в виде матрицы. Это растворы жидкости, расплавы, которые находятся в порах электроносителя.
  • Электролиты с ионным обменом. Твердые вещества с закрепленными ионогенными группами, с одним знаком. С другим знаком ионы подвижны. Эта характеристика позволяет создать однополярную проводимость.

Khimicheskie istochniki toka foto 2

Гальванические элементы

Напряжение на ячейке составляет 0,5-4 вольта. В химических образцах источника применяют гальваническую батарею, которая состоит из элементов. Может использоваться параллельная схема нескольких элементов. При последовательной схеме в цепь включены одинаковые батареи. Они должны обладать одинаковыми свойствами, с одной конструкцией, технологией, типоразмером. Для схемы параллельного соединения подойдут элементы с различными свойствами.

Khimicheskie istochniki toka foto 3

Классы
Химические источники тока делятся по следующим свойствам:
  • Размерности.
  • Конструктивным особенностям.
  • Применяемым химическим веществам.
  • Источнику реакции.

Эти свойства создают эксплуатационные параметры источников, которые подходят для определенной области использования.

Деление на классы электрохимических источников основывается на отличии в способе действия устройства. По этим свойствам их различают:
  • Первичные источники – для однократного применения. В них заключен определенный запас веществ, который будет израсходован при реакции. Когда произойдет разряд, ячейка исчерпывает свою способность к работе. Первичные источники, основанные на химических реакциях, называются элементами. Наиболее простой элемент – это батарейка типа АА.
  • Химические источники тока , которые имеют возможность перезаряжаться, называются аккумуляторами, это вторичные многоразовые элементы. Израсходованные химические элементы могут регенерироваться и снова накопить энергию, путем подключения к ним тока. Это называется зарядкой элементов. Такие элементы применяют длительное время, так как их легко зарядить. В процессе разряда вырабатывается электрический ток. К таким источникам можно причислить элементы питания различных видов приборов и устройств, таких как смартфоны, ноутбуки и т.д.
  • Тепловые химические источники тока – это приборы постоянного действия. В результате их работы постоянно поступает новая порция веществ и удаляется использованный продукт реакции.
  • В смешанных элементах находится запас реагента. Другой реагент поступает в устройство снаружи. Время действия устройства имеет зависимость от резерва первого вещества. Комбинированные элементы применяются в качестве аккумуляторов, когда имеется возможность регенерации их заряда через прохождение тока от внешнего питания.
  • Химические источники тока, которые могут возобновлять заряд , заряжаются разными способами. В них можно заменять израсходованные реагенты. Такие источники действуют не постоянно.

Khimicheskie istochniki toka foto 4

Свойства
Основные характеристики ХИТ можно перечислить в таком виде:
  • Разрядное напряжение. Это свойство имеет зависимость от определенной электрохимической системы. А также оказывает влияние процент концентрации электролита, температура, ток.
  • Мощность.
  • Разрядный ток, зависящий от сопротивления цепи.
  • Емкость, наибольшее количество энергии, которое источник выдает при общем разряде.
  • Запас энергии – наибольшая энергия, которая получена при полном разряде устройства.
  • Энергетические свойства и характеристики. Для батарей аккумуляторов это число циклов заряда и разряда, без уменьшения емкости и напряжения (ресурс).
  • Температурный интервал работы.
  • Сохраняемый срок – наибольший допускаемый период времени от изготовления до первого разряда элемента.
  • Время службы – наибольший допускаемый срок работы и хранения. Для элементов на топливе имеют значение сроки работы при постоянной и периодической работе.
  • Полная энергия, отданная за все время работы.
  • Механическая, вибрационная прочность.
  • Возможность функционирования в любом положении.
  • Надежная работа.
  • Простота в уходе.
Сахарная батарея

Чтобы произвести литий-ионные аккумуляторы в Японии закупают материалы в других странах. Это негативно сказывается на экономическом положении страны. Поэтому ученые ищут способы изготовления аккумуляторов из того сырья, которое имеется в наличии. Таким сырьем в Японии стал сахар. Аккумулятор на сахаре в Японии по свойствам имеет надежность и энергоемкость выше обычных аналогов, и стоимость его ниже.

Большой спрос на литий, который вызван резким распространением переносных аккумуляторов, озаботил производителей аккумуляторов, так как этот элемент добывается только в странах с политической нестабильностью. Это явилось вторым фактором поиска альтернативных материалов для недорогих аккумуляторов с высокой надежностью. Сахароза легко преобразуется в дешевый материал для анодного сырья в литий-ионных батареях.

Сахар нагревают в условиях вакуума под давлением до 1500 градусов. Он превращается в порошок, состоящий из углерода, который может повысить заряд на 20% больше аналогичных изделий. Это явилось первым шагом в разработке дешевых батарей. Пока такие виды батарей не составляют конкуренции современным аккумуляторам. Но ученые предполагают, что в будущем подобные разработки вытеснят дорогие изделия.

Требования

Конструктивные особенности химических источников тока должны создавать условия, которые способствовали бы максимальной эффективности химических реакций.

К таким условиям можно отнести:
  • Недопущение утечек тока.
  • Постоянная работа.
  • Герметичность.
  • Раздельное помещение реагентов.
  • Качественное контактирование электролита с электродами.
  • Хороший отвод тока из объекта химической реакции до наружного вывода с наименьшими потерями.
К химическим элементам предъявляются требования:
  • Повышенные значения свойств.
  • Максимальный диапазон температуры работы.
  • Наибольшее напряжение.
  • Минимальная себестоимость электричества.
  • Постоянное значение напряжения.
  • Хорошее сохранение заряда.
  • Безопасное функционирование.
  • Простое обслуживание, или ее отсутствие.
  • Долговременная работа.
Эксплуатация источников тока

Основное достоинство первичных элементов состоит в отсутствии надобности обслуживания. Перед работой нужно просто осмотреть их, определить срок годности. При включении в цепь нельзя путать полярность и допускать повреждения контактов. Сложные конструкции источников требуют особого ухода. Цель его заключается в удлинении срока службы до максимума.

Уход за аккумуляторами требует выполнения следующих мероприятий:
  • Обеспечение чистоты.
  • Контроль параметра напряжения отключенной цепи.
  • Обеспечение необходимого уровня электролита, доливки дистиллированной воды.
  • Проверка концентрации электролита ареометром.

При использовании батареек (гальванических элементов) нужно выполнять требования, которые относятся к применению электрических приборов.

Сфера использования
В современное время химические источники тока используются в:
  • Транспорте.
  • Переносных устройствах.
  • Космической технике.
  • Оборудовании научных исследований.
  • Медицинских приборах.
Применяются в бытовой сфере:
  • Батарейки (сухие).
  • Батареи аккумуляторов электроники.
  • Аккумуляторы на автомобилях.

Большое распространение нашли литиевые химические источники тока. Это обусловлено наличием у лития максимальной удельной энергии. Он отличается наиболее отрицательным потенциалом электрода из металлов. Батареи литий ионного типа опередили все другие источники по размеру значений удельной энергии. В настоящее время ученые разрабатывают различные усовершенствования литиевых аккумуляторов. Разработки ведутся в направлении получения конструкций корпуса сверхмалой толщины, которые будут использоваться для питания смартфонов и подобных им гаджетов, а также создание сверхмощных батарей аккумуляторов.

В последнее время серьезные работы ученых ведутся по изобретению и модернизации топливных батарей – устройств, которые создают электрическую энергию, за счет проведения химических реакций веществ, постоянно подающихся к электродам снаружи. Для окисления берут кислород, а в качестве топлива пытаются использовать водород. На основе таких батарей уже действуют некоторые опытные образцы на электростанциях.

Источник

Краткая теория химических источников тока

Термодинамика электрохимических элементов позволяет определить их электродвижущую силу E (ЭДС). ЭДС – это теоретическая разность потенциалов между положительным и отрицательным электродами в отсутствие тока, т.е. когда элемент разомкнут. ЭДС однозначно связана с изменением энергии Гиббса токообразующей реакции

F = 96485 Кл/моль – число Фарадея, n – число электронов, участвующих в токобразующей реакции (для вышеприведенной реакций n = 2).

Температурный коэффициент ЭДС связан с изменением энтропии реакции

ЭДС равна разности равновесных электродных потенциалов двух электродов

Равновесный электродный потенциал зависит от природы электродной реакции, температуры и активностей растворенных или газообразных веществ в соответствии с уравнением Нернста для окислительно-восстановительной реакции

Например, для полуреакции на цинковом электроде равновесный потенциал равен

Реальная разность потенциалов электродов разомкнутого элемента, называемая напряжением разомкнутой цепи (НРЦ), может быть равна ЭДС, а может отличаться. Отличие обусловлено тем, что на электродах не устанавливаются равновесные потенциалы из-за протекания других (побочных) реакций, кроме основной реакции, для которой был проведен термодинамический расчет. Побочные реакции типично вредны, т.к. вызывают дополнительный расход реагентов и снижают напряжение элемента.

Читайте также:  Расчет цепей синусоидального тока с последовательным соединением

При подключении элемента к устройству нагрузки, т.е. при его замыкании на внешнюю нагрузку, образуется электрическая цепь

При этом напряжение изменяется, и изменяется тем в большей степени, чем больше сила тока, протекающего через элемент

где U – напряжение элемента, ∆e – поляризация элемента, J (или I)– сила тока, rвнутр – внутреннее сопротивление элемента. Таким образом, рабочее напряжение ХИТ всегда меньше, чем его ЭДС.

Поляризация ∆e может состоять в общем случае из электрохимической, химической и концентрационной составляющих:

Электрохимическая поляризация ∆eэл обусловлена замедленностью собственно электрохимической реакции. Концентрационная поляризация eконц вызывается замедленностью стадий подвода реагентов к электродам и отвода продуктов реакции. Химическая поляризация eхим возникает, если электродный процесс сложный и включает химические стадии. Общий путь снижения всех составляющих поляризации и повышения таким образом напряжения ХИТ – увеличение удельной поверхности электродов, увеличение температуры и концентрации реагентов, применение каталитически активных электродов.

Графическое изображение зависимости напряжения ХИТ от силы тока называется вольтамперной кривой или вольтамперной характеристикой (ВАХ). Кривая обычно имеет три участка: I и III – участки резкого изменения напряжения, II – участок примерно линейного изменения напряжения, как показано на рисунке. Аналитические формулы, описывающие ВАХ, весьма сложны.

В процессе работы ХИТ, т.е. в процессе его разряда возрастает поляризация элемента и уменьшается ЭДС (не всегда) из-за уменьшения концентрации исходных веществ и увеличения концентрации продуктов реакции (по уравнению Нернста). Обычно также растет и внутреннее сопротивление. По этим причинам наблюдается неуклонное падение напряжения ХИТ во времени по мере разряда. Это наиболее типичное поведение, хотя бывают и исключения: начальный этап разряда может сопровождаться ростом напряжения ХИТ в основном из-за перераспределения составляющих поляризации и/или нагрева. Кривая изменения напряжения во времени называется разрядной кривой (разрядной характеристикой).

Типичная вольтамперная характеристика ХИТ (схематично).

Типичные формы разрядной характеристики ХИТ (схематично).

Разрядные кривые имеют разнообразный вид. До сих пор нет общепринятых теоретических уравнений разрядной кривой. Их характерные формы показаны на рисунке, в том числе I – плоская, II – пологая, III – линейная разрядная характеристика. Идеальная разрядная характеристика также приведена на рисунке, она имеет форму прямоугольника, т.е. весь разряд происходит строго при одном постоянном напряжении и резко заканчивается при 100%-ном исчерпании активных веществ в электродах. Постоянство вырабатываемого напряжения – вот что требуют потребители от ХИТ. Наиболее близка к такой форме плоская разрядная кривая, характеризуемая выраженным плато – рабочим напряжением, при котором происходит основная фаза разряда. Рабочее напряжение всегда меньше ЭДС и может быть неопределенным (когда разрядная характеристика близка к линейной).

Кроме ЭДС, напряжения, ВАХ и разрядной кривой для характеристики электрохимических систем и конкретных типов ХИТ используют следующие параметры: мощность P, удельная мощность Pуд, емкость Q, удельная емкость Qуд, энергия W и удельная энергия Wуд. Мощность равна произведению силы тока на напряжение и измеряется в Ваттах:

1 Ватт = 1 Ампер × 1 Вольт = 1 Кулон × 1 Вольт / 1 сек = 1 Джоуль / 1 сек

Для измерения Q и W обычно применяются внесистемные единицы:

  • емкость измеряют в Ампер∙часах (А·ч). 1 А·ч = 1 А × 3600 сек = 3600 Кл;
  • энергию измеряют в Ватт∙часах (Вт·ч). 1 Вт·ч = 1 Вт × 3600 сек = 3600 Дж.

Удельная мощность определяется формулой

Все факторы, увеличивающие напряжение, приводят к повышению мощности ХИТ. Так как с увеличением тока напряжение элемента падает вплоть до нуля, мощность проходит через максимум при некотором среднем значении силы тока

Емкость ХИТ – наиболее широко используемая характеристика ХИТ. Емкостью называют количество электричества (заряд), которое ХИТ способен выработать при разряде. Теоретическая емкость определяется по закону Фарадея

Фактическая емкость равна теоретической или ниже из-за неполного использования активных веществ и расхода их на побочные процессы. Фактическая емкость может быть измерена путем полного разряда ХИТ постоянным током J в течение времени t и рассчитана по формуле

Удельная емкость измеряется в А·ч/г или в А·ч/л.

При разряде ХИТ на постоянную нагрузку (на постоянное внешнее сопротивление R) ток непрерывно меняется во времени. В этом случае емкость (заряд) определяется интегрированием произведения J·t и представляет собой площадь под разрядной кривой

где Ucp – среднее разрядное напряжение, определяемое усреднением всех точек разрядной кривойц. Обычно на гальваническом элементе или аккумуляторе указывается его рабочее напряжение (иногда также емкость). Так, емкость стартерных свинцовых аккумуляторов чаще всего составляет 40 – 60 А·ч.

Энергия W, которую вырабатывает ХИТ (т.е. энергия, которую он передает во внешнюю нагрузку, полезная энергия, энергозапас), равна произведению емкости на напряжение. Если бы электрохимические реакции в ХИТ протекали термодинамически обратимо, то теоретическая энергия была бы точно равна полезной работе ΔG. Фактически количество вырабатываемой энергии, конечно, меньше ΔG. Энергия определяется площадью под разрядной кривой. При разряде постоянным токам J

При разряде на постоянную внешнюю нагрузку R ток непрерывно меняется во времени. Преобразуем формулу, используя закон Ома

Необходимо четко понимать, что напряжение и ЭДС – всё, что измеряется в Вольтах, – являются интенсивными характеристиками, зависящими от внутренних свойств веществ, от их природы, но не от их количества. Поэтому ХИТ одной и той же электрохимической системы будут иметь одно и то же напряжение, независимо от массы и геометрических размеров ХИТ. Напротив, P, W и Qэкстенсивные характеристики, пропорциональные количеству заложенных реагентов, следовательно, примерно пропорциональные массе или объему ХИТ. Для сравнения различных электрохимических систем используют удельную емкость

и удельную энергию (удельный энергозапас)

[Вт·ч/кг] или [Вт·ч/л]

Хотя энергия (энергозапас) W важнее, чем емкость (заряд) Q, последняя употребляется чаще, поскольку 1) емкость легче измерить; 2) энергия сильно зависит от режима разряда, емкость зависит от него в меньшей степени.

Разрядную кривую можно представить как зависимость напряжения U от времени разряда t, обязательно указывая ток разряда I, а можно представлять в координатах UQ. В этом случае кривая будет более универсальна, т.к. по идее одна и та же кривая должна получаться при разных токах. На самом деле вырабатываемая емкость тоже зависит от тока, типичный характер зависимости показан на рисунке. Обычно чем ближе режим разряда к равновесному, чем меньше ток и чем длительнее разряд, тем выше емкость и особенно энергия.

Таким образом, по мере увеличения силы разрядного тока снижаются напряжение ХИТ и его фактическая емкость. Поэтому емкость, указанная в документах на ХИТ (или в маркировке на его корпусе), – это номинальная емкость С или С° (в А·час), относящаяся к номинальному режиму разряда, т.е. рекомендованному режиму разряда, такому, какой должен быть.

Предпринимались многочисленные попытки установить зависимость между фактической емкостью ХИТ и током разряда. Предложено много эмпирических уравнений, наиболее известна формула Пейкерта (1897 год)

где 0.2 + + 2е Е о + = 1.229 В

На отрицательном электроде: 2Н + + 2е→ Н2 Е о = 0.000 В

Суммарная реакция: Н2О→0.5 О2 + Н2 Е о = 1.229 В

Эти реакции протекают параллельно с основной токообразующей реакцией, поэтому в принципе может идти и только одна из этих полуреакций (катодная или анодная), складываясь с основной полуреакцией. Разложение Н2О ограничивает возможное напряжение ХИТ с водным электролитом уровнем примерно 1.5 – 1.9 В. Действительно, большинство электрохимических систем с водным электролитом имеют напряжение ниже 2 В. Но за счет электродной поляризации этот диапазон может расширяться (пример – свинцовый аккумулятор, рабочее напряжение которого больше 2 В).

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Химия. 11 класс

Конспект урока

Химия, 11 класс

Урок № 8. Химические источники тока. Ряд стандартных электродных потенциалов

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён устройству и принципу работы гальванического элемента и других химических источников тока. Учащиеся получат представление о ряде электродных потенциалов и возможностях его использования.

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

Электрод — электрический проводник, имеющий электронную проводимость и находящийся в контакте с ионным проводником — электролитом. В электрохимии — это часть электрохимической системы, включающая в себя проводник и окружающий его раствор

Анод — электрод, на котором происходит процесс окисления

Катод — электрод, на котором происходит процесс восстановления

Аккумулятор — химический источник тока многоразового действия

Топливный элемент — устройство, обеспечивающее прямое преобразования химической энергии в электрическую

Электрохимия — наука, которая изучает закономерности взаимного превращения химической и электрической форм энергии

Ряд стандартных электродных потенциалов — ряд металлов, расположенных в порядке возрастания значения их стандартных потенциалов

Стандартные условия — температура 25 о С, концентрация солей 1моль/л, давление 0,1МПа

Стандартный водородный электрод — электрод, использующийся в качестве электрода сравнения при различных электрохимических измерениях

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тестов по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

  • Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Читайте также:  Помощь при поражении человека под напряжение электрического тока

Химические источники тока

Рассмотрим знакомую нам окислительно-восстановительную реакцию. В раствор сульфата двухвалентной меди опустим цинковую пластинку. Со временем на поверхности цинка образуется красноватая пленка кристаллической меди. Синяя окраска раствора постепенно ослабевает. Это говорит о том, что протекает химическая реакция.

Cu 2+ + Zn = Zn 2+ + Cu

Молекулы воды отрывают ион цинка. Отдавая электроны, цинк является восстановителем. Ион меди – окислитель — принимает электроны. Электроны передаются от цинка к меди в месте соприкосновения металлов.

Давайте немного изменим условия проведения реакции. Цинковую пластинку опустим в сосуд с раствором сульфата цинка. Медную поместим в другой сосуд с раствором сульфата меди. Соединим пластинки с помощью металлического проводника. Теперь на цинковой пластинке идет окисление атомов цинка, а на медной восстанавливаются ионы меди. Электроны для их восстановления передаются теперь не напрямую, а по проводнику. Направленное движение электронов по этой внешней цепи и есть не что иное, как электрический ток.

Таким образом, произошло превращение энергии, полученной в результате химической реакции в электрическую. Устройство, в котором это осуществилось, получило название гальванический элемент.

Металлические пластинки или стержни называются электродами. Электроны перемещаются по внешней цепи от анода (цинка) к катоду (меди).

Образовавшиеся на аноде ионы цинка выходят в раствор и придают ему избыточный положительный заряд. В это же время у катода катионы меди восстанавливаются (принимают электроны), а оставшиеся в растворе анионы SO4 2- заряжают раствор отрицательно. Это препятствует дальнейшему течению процесса.

Чтобы не допустить этого, соединим сосуды стеклянной трубкой, которую заполним раствором хлорида калия с желатином. Теперь анионы будут двигаться в сторону цинка, а катионы – наоборот. Так будет поддерживаться электронейтральность растворов.

Гальванический элемент будет продолжать работу до полного растворения цинкового электрода или до восстановления всех ионов меди.

Впервые установку, в которой химическая реакция породила электрический ток, собрал Алессандро Вольта в 1800 году. Название «гальванический элемент» она получила позднее.

Теперь наука, которая изучает химические процессы, проходящие под действием электрического тока, а также процессы, в результате которых энергия химических реакций преобразуется в электрическую энергию, называется электрохимия.

Химические источники тока применяются очень широко. Знакомые нам «батарейки» — это разные варианты гальванических элементов. К сожалению, разрядившаяся батарейка уже не может быть восстановлена.

Этого недостатка лишены аккумуляторы, которые тоже представляют собой химические источники тока. Они устроены так, что израсходовав в процессе работы материалы электродов и электролит, способны вновь восстановить рабочие свойства после зарядки.

В свинцовом аккумуляторе чередуются решетчатые пластины, заполненные губчатым свинцом и диоксидом свинца. Электролитом служит серная кислота. Во время работы аккумулятора металлический свинец окисляется, а диоксид свинца восстанавливается.

Когда аккумулятор заряжают, то подключают его таким образом, чтобы ток шёл в направлении, противоположном тому, в котором двигались электроны во время работы. Благодаря этому, процессы окисления и восстановления на электродах поворачивают вспять. Теперь протекают обратные реакции, в результате которых снова появляются свинец, диоксид свинца и серная кислота.

Аккумулятор снова готов к работе.

Еще один источник преобразования химической энергии в электрическую – топливный элемент. Он подобен гальваническому элементу с той лишь разницей, что реагенты постоянно поступают в него извне. Поэтому он не разряжается и не требует электричества для повторной зарядки. Примером может служить водородный топливный элемент, перспективный для водородной энергетики.

Ряд стандартных электродных потенциалов

Вернемся к электродам и посмотрим поближе, что происходит там, где металл граничит с раствором.

Молекулы воды поляризованы и способны отрывать ионы металла. Удерживающиеся на поверхности электроны образуют отрицательно заряженный слой. К нему притягиваются из раствора катионы, образуя второй слой — положительный. Возникающую в двойном слое разность потенциалов называют электродным потенциалом, но определить его величину напрямую невозможно.

Однако есть такой электрод, которым пользуются для сравнения электродных потенциалов разных металлов. Он сделан из платины, но называется водородным, потому что водород пропускается через кислоту, в которой находится электрод. Благодаря платине, выступающей как катализатор, часть молекул водорода распадаются на атомы, которые окисляются на границе с кислотой. Одновременно идет и обратная реакция.

Разность потенциалов, возникающая в двойном электрическом слое водородного электрода, условно принимается за ноль.

Потенциал металла, измеренный относительно стандартного водородного электрода при концентрации ионов металла 1 моль/л и температуре раствора, равной 25 о С, называют стандартным электродным потенциалом металла.

Соберём гальванический элемент, соединив электрод из исследуемого металла со стандартным водородным электродом. Электролитом для металлического электрода послужит раствор соли этого металла, а для водородного, как всегда, кислота.

Зная, что электродвижущая сила вычисляется как разность потенциалов двух электродов, и, подставив ноль в случае водородного электрода, мы видим, что измеренная ЭДС и будет потенциалом исследуемого электрода.

Металлы, расположенные в порядке возрастания значений их стандартных потенциалов, составляют электрохимический ряд напряжений металлов или ряд стандартных электродных потенциалов. Еще одно название – ряд активности металлов.

Имея в своем распоряжении ряд напряжений, мы можем характеризовать химические свойства металлов:

  1. Чем меньше значение электродного потенциала металла, тем больше его восстановительная способность;
  2. Каждый металл, начиная с магния, вытесняет все следующие за ним металлы из растворов их солей (это касается металлов, не взаимодействующих с водой);
  3. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, вытесняют его из разбавленных кислот (кроме азотной).

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЯ ЗАДАНИЙ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

  1. Решение задачи на использование электрохимического ряда напряжений металлов

Условие задачи: Учитель загадал металл и дал ученикам три подсказки:

  • из соли ртути он вытеснит ртуть;
  • но не вытеснит водород из растворов кислот;
  • вам отгадать поможет вполне таблица, висящая на стене.

— Конечно, это ___, — засмеялись ученики, — только один металл подходит под ваше описание.

Вставьте в текст название металла.

Шаг первый: из таблиц выбираем «Электрохимический ряд напряжений металлов»

Шаг второй: находим металлы левее ртути, т.к. они вытесняют ртуть из растворов солей.

Шаг третий: из выбранных металлов находим те, что расположены правее водорода, т.к. они не вытесняют водород из растворов кислот.

Этим условиям отвечает только один металл – медь.

2. Решение задачи на расчеты по уравнению реакции

Условие задачи: Мастер решил покрыть железную фигурку слоем меди и поместил её в сосуд с раствором медного купороса. Он знал, что на изготовление фигурки было использовано ровно 120 г железа. Когда мастер достал фигурку из раствора, её масса оказалась уже 121,56 г. Сколько граммов меди осело на фигурке?

Шаг первый: Запишем уравнение реакции

Шаг второй: Выразим массу железа через массу меди.

Из уравнения реакции следует, что количество вещества выделившейся меди равно количеству вещества прореагировавшего железа

m(Fe)/56 = m(Cu)/64, тогда

Шаг третий: Рассчитаем массу меди.

Так как масса пластинки уменьшилась на величину массы прореагировавшего железа и увеличилась на величину массы выделившейся меди, можно записать равенство:

Источник



Химические источники тока

date image2015-10-22
views image17523

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Химические источники тока (ХИТ) – электрохимические устройства, в результате работы которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов превращается в электрическую энергию постоянного тока. К ним относятся гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы.

Основными характеристиками ХИТ являются ЭДС, напряжение, мощность, энергия, которую они отдают во внешнюю цепь, саморазряд.

Химические источники тока должны иметь: как можно большее значение ЭДС; максимально высокие удельные мощность и емкость; по возможности меньшую разность между напряжением источника тока и его ЭДС; максимально низкий саморазряд (потеря емкости ХИТ при разомкнутой цепи).

Гальванические элементы – устройства, в которых энергия химической окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую. Он состоят из двух электродов, имеющих различный электродный потенциал, электролита, который дает возможность перемещаться ионам от одного электрода к другому, и металлического проводника для перемещения электронов, направленный поток которых приводит к возникновению электрического тока.

Рассмотрим механизм возникновения электрического тока на примере медно-цинкового гальванического элемента (элемента Даниэля – Якоби). Он состоит из двух электродов – цинкового и медного, погруженных в соответствующие растворы сульфатов цинка и меди, которые разделены полупроницаемой перегородкой 1 (внутренняя цепь) (рис. 8.3.). Электроды соединены друг с другом металлическим проводником (внешняя цепь) через гальванометр 2.

Если цепь замкнута, то происходят процессы гидратации ионов металлов на обоих электродах и устанавливается химическое равновесие между металлом и его ионами в растворе:

Металлы приобретают разный по величине заряд, так как Zn и Cu имеют различную активность, которая может быть оценена с помощью стандартных электродных потенциалов ( =−0,76 В, =+0,34 В).

Рис. 8.3. Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби

Таким образом, концентрация свободных электронов на этих электродах различна. При замыкании внешней цепи происходит выравнивание этих концентраций и электроны по внешнему проводнику перемещаются от Zn электрода к Cu электроду. Концентрация электронов на цинковом электроде уменьшается, что приводит к смещению равновесия на границе Zn/ZnSO4 в сторону образования катионов Zn 2+ ,т.е. происходит процесс растворения цинка (Zn Zn 2+ + 2 ).

Процесс окисления в электрохимии называется анодным процессом, а сам электрод – анодом.

Концентрация свободных электронов на медном электроде увеличивается в результате поступивших электронов с цинка и равновесие на границе Cu/CuSO4 смещается в сторону образования металлической меди (Cu Cu 2+ + 2 ), т.е. происходит процесс восстановление меди.

Процесс восстановления в электрохимии называется катодным процессом, а сам электрод – катодом.

На Zn аноде происходит процесс окисления, в результате которого цинк переходит в раствор в виде катионов, на Cu катоде – процесс восстановления ионов меди:

Читайте также:  Энергия магнитного поля катушки с током равна 0 72 джоуля индуктивность катушки равна 10

Cu 2+ + Zn « Zn 2+ + Cu.

Таким образом, при работе гальванического элемента одновременно происходят процессы окисления и восстановления.

Схематически работа гальванического элемента записывается следующим образом:

(−) Zn /Zn 2+ ç H2SO4 ç Cu 2+ /Cu (+).

В гальваническом элементе происходит движение ионов (SO4 2- ) во внутренней цепи и электронов (2 ) во внешней, т.е. возникает электрический ток.

В скобках указываются знаки электродов, причем анод записывается слева, катод справа. Стрелки указывают направление движения электронов во внешней цепи и ионов SO4 2- во внутренней.

Важной характеристикой гальванического элемента является его движущая сила (ЭДС), которая представляет собой разность потенциалов электродов при отсутствии тока во внешней цепи:

Потенциалы каждого электрода зависят от концентрации потенциалопределяющих ионов и вычисляются по уравнению Нернста (8.4).

Если условия стандартные ([ZnSO4] и [CuSO4 ] = 1 моль/л, температура Т = 298 К), то для медноцинкового элемента стандартная ЭДС о равна:

ЭДС о = +0,34 – (–0,76) = 1,1 В.

Среди большого разнообразия гальванических элементов можно выделить три основных типа:

1. Два различных металла находятся в растворах своих солей.

К этому типу относится рассмотренный гальванический элемент Даниэля–Якоби.

2. Два различных металла находятся в одном электролите.

Примером такого элемента может служить элемент Вольта, состоящий из двух пластин (Zn и Cu), находящихся в растворе серной кислоты.

При его работе происходят следующие процессы:

(+) К: 2Н + + 2 « Н2 (на Cu).

Выделяющийся водород насыщает поверхность катода (меди), в результате чего получается электрод другого состава (не медный, а водородный). Схема гальванического элемента Вольта:

(−) Zn/Zn 2+ çH2SO4ç2H + /H2 (Cu) (+).

3. Два одинаковых электрода находятся в растворах своих солей с различной концентрацией ионов металла в электролите. Такой элемент называется концентрационным.

Схема медного концентрационного гальванического элемента:

(−) Cu/CuSO4 ççCuSO4/Cu (+).

Роль анода выполняет электрод, находящийся в более разбавленном растворе, так как его электродный потенциал имеет более низкое значение по сравнению со вторым электродом. ЭДС такого гальванического элемента зависит только от соотношения концентраций потенциалопределяющих ионов (в данном случае от концентрации CuSO4).

Как источники электрической энергии концентрационные гальванические элементы практического значения не имеют.

Электродвижущая сила и напряжение гальванического элемента. ЭДС – разность потенциалов между катодом и анодом в условиях обратимой работы ГЭ. Измерение ЭДС обычно проводят компенсационным методом при отсутствии тока в цепи.

Прямым измерением разности потенциалов на клеммах элемента с помощью обычного вольтметра можно получить значение напряжения U, которое не равно ЭДС элемента.

Напряжение – разность между электродами работающего гальванического элемента (в необратимых условиях работы). Напряжение элемента U 2+ |H2SO4|Pb 2+ /PbO2 (+).

При взаимодействии оксида свинца с H2SO4 образуется PbSO4

При первичном и последующих зарядах аккумулятора, когда он работает как электрохимическая ячейка, PbSO4 на катоде превращается в свинец Pb, а на аноде – в диоксид свинца PbO2, которые и являются электродами.

При работе аккумулятора – его разряде, когда он работает как химический источник тока, на электродах протекают электродные процессы в обратном направлении.

Электродные реакции в свинцовом аккумуляторе можно представить в виде:

По мере его разряда расходуются материалы катода (PbО2) , анода (Pb) и электролит – серная кислота. Напряжение на зажимах аккумулятора падает, и его необходимо заряжать. Свинцовый аккумулятор не должен разряжаться до полного расходования активности веществ. Если это произойдет, то станет невозможной его перезарядка (аккумулятор можно разряжать до 1,8 В). Для заряда аккумулятор подключают к внешнему источнику тока, направление тока противоположно разрядному.

Во время заряда аккумулятора растет напряжение на его полюсах. В конце оно достигает такого значения, что начинается электролиз воды, сопровождающийся выделением водорода на катоде и кислорода – на аноде:

Так называемое «кипение» электролита является признаком окончания заряда свинцового аккумулятора.

Стандартные величины потенциалов для электродов свинцового аккумулятора имеют следующие значения: Е о = −0,356 В, Е о = +1,685 В.

ЭДС аккумулятора как химического источника тока рассчитывается по уравнению:

ЭДС аккумулятора зависит от концентрации (активности) серной кислоты, которая возрастает при заряде аккумулятора и уменьшается при его разряде. О степени разряда аккумулятора судят по концентрации электролита, т.е. концентрации H2SO4. На практике с помощью ареометра обычно измеряется не концентрация кислоты, а ее плотность.

При плотности =1,19 г/см 3 аккумулятор разряжен на 50%, при =1,11 г/см 3 аккумулятор разряжен полностью. Используя концентрированные растворы H2SO4, можно было бы увеличить ЭДС аккумулятора, однако при концентрации H2SO4 больше 39% резко уменьшается электропроводность растворов и увеличивается растворимость свинца, поэтому оптимальными являются 32-39 % − ные растворы H2SO4.

ЭДС заряженного аккумулятора приблизительно равна 2 В. Если последовательно соединить 6 элементов, то получится обычный автомобильный аккумулятор с ЭДС=12 В.

Заряженный аккумулятор может быть сразу использован по назначению. При хранении же из него выливают электролит и промывают водой. В таком виде он может находиться до 2−х лет, и для его использования достаточно лишь залить электролит. При хранении незаряженного аккумулятора с раствором серной кислоты происходит его «сульфатирование» – образование на пластинках большого количества PbSO4.

Когда кислотный аккумулятор работает, давая ток, PbSO4 осаждается в очень мелкозернистой форме на поверхности электродов. Когда же аккумулятор выключен, мелкозернистый слой рекристаллизуется и образуются более крупные кристаллы, которые могут закупорить поры электрода, уменьшая его поверхность, или отрываться от электрода и основной причиной выхода аккумулятора из строя, поэтому нужно следить, чтобы аккумулятор не простаивал частично в разряженном состоянии.

Преимущества свинцового аккумулятора – высокий КПД (около 80 %), высокая ЭДС и относительно малое ее изменение при разряде, большая электрическая емкость, устойчивость в работе.

Недостатки – большая масса и, следовательно, малая удельная емкость, саморазряд аккумулятора при хранении, малый срок службы (2-5 лет), а также токсичность свинца и сильные окислительные свойства H2SO4. Совершенствование свинцовых аккумуляторов идет по пути изыскания новых сплавов свинца для решеток, препятствующих образованию и выпадению шлама, кристаллизации сульфата свинца, облегченных и прочных материалов корпусов и улучшения качества сепараторов.

Щелочные аккумуляторы различаются по материалу пластин отрицательно заряженного электрода. Наиболее распространенные из них кадмий никелевые (Cd − Ni) и железо никелевые (Fe – Ni) аккумуляторы. Активная масса положительных пластин состоит в основном из гидратированного оксида никеля (III). Кроме того, в ней содержится графит, добавляемый для увеличения электропроводности. Электролитом служит раствор КОН (20 %), содержащий небольшое количество LiOH. ЭДС заряженного аккумулятора (Cd − Ni) приблизительно равна 1,3 В.

Окислительно-восстановительные процессы, протекающие при работе щелочного аккумулятора (Сd – Ni), могут быть представлены следующими уравнениями:

(−) A: Cd + 2OH — Cd (OH)2 + 2 ; (+) K: 2NiO(OH) + 2H2O + 2 2Ni(OH)2 + 2OH – ; 2NiO(OH) + 2H2O + Cd Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2.

Cхемы щелочных аккумуляторов:

(−) Cd/ KOH, LiOH /NiO(OH), C (+);

(−) Fe/ KOH, LiOH /NiO(OH), C (+).

В отличие от свинцового аккумулятора срок службы щелочных аккумуляторов порядка 10 лет. Они хорошо выдерживают перегрузку и длительное время пребывания в разряженном состоянии. Однако меньшая ЭДС и более высокая стоимость не позволяют во многих случаях заменить ими свинцовые аккумуляторы. Щелочные аккумуляторы выпускаются промышленностью различной удельной емкости (0,5–120 А ч). В последние годы проводятся исследования по совершенствованию существующих и созданию новых аккумуляторов, что обусловлено необходимостью создания экологически чистых автомобилей.

Топливные элементы (ТЭ) – перспективные химические источники тока (электрохимические генераторы), способные непрерывно работать за счет постоянного подвода к электродам новых порций реагентов и отвода продуктов реакции.

Топливными элементами называются устройства, в которых химическая энергия окисления топлива превращается в электрическую энергию.

ТЭ относятся к первичным химическим источникам тока с непрерывной подачей реагентов (окислителя и восстановителя) и непрерывным удалением продуктов сгорания.

Сгорание топлива (окисление) практически во всех ТЭ происходит на поверхности инертных электродов (Сграфит, Pt, Ag, Ni и др.), содержащих катализаторы.

В качестве топлива (восстановителя) используют жидкие или газообразные водород, гидразин, гидриды металлов, оксид углерода, различные углеводороды, метиловый спирт и др. спирты. Твердое топливо – уголь, кокс, торф обладает малой реакционной способностью и может быть окислено при температуре выше 1000 о С. Электролитами являются водные растворы кислот или щелочей, расплавленные карбонаты или гидриды металлов. Как правило, природные виды топлива подвергаются предварительной обработке для получения электрохимически активных веществ.

На практике наиболее часто применяется водородно-кислородный топливный элемент со щелочным электролитом (30−40 % раствор KOH). Устройство элемента чрезвычайно простое. В герметически закрытом сосуде установлено два пористых, металлических (чаще всего никелевых) электрода, разделенных слоем раствора гидроксида калия (натрия). В ТЭ подаются газообразный водород и кислород.

Схема водородно-кислородного ТЭ имеет следующий вид:

где Ме – проводник первого рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода (например, специально обработанные Ni, Co, металлы группы Pt).

Элемент работает при 50-70 о С, при атмосферном давлении. На электродах протекают следующие реакции:

на аноде – окисление водорода

на катоде – восстановление кислорода

(+) К: ½O2 + H2O + 2 2OH — .

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов OH — от катода к аноду.

Уравнение токообразующей реакции имеет вид:

Таким образом, в водородно-кислородном ТЭ протекает процесс сгорания водорода с образованием воды. В результате протекания этой реакции в цепи генерируется постоянный ток и химическая энергия превращается в электрическую энергию постоянного тока.

Источник