Электрохимические генераторы

Химический источник тока (генератор) – это устройство, в котором химическая энергия напрямую превращается в электрическую. Основой работы химического генератора является химическая реакция взаимодействия окислителя и восстановителя. В процессе взаимодействия окислитель восстанавливаясь присоединяет электроны, а восстановитель, окисляясь отдает электроны.

Рассмотрим явления, происходящие при опускании цинкового (Zn) электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO₄). Молекулы воды (H₂O) стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (см. рис.163). В результате действия электростатических сил положительные

Рис. 163 Расположение электрических зарядов вблизи цинкового электрода.

ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу способствует большой дипольный момент молекул воды. По мере перехода положительных ионов металла в раствор появляется и увеличивается отрицательный потенциал на цинковом электроде, препятствующий дальнейшему растворению цинкового электрода. При некотором потенциале электрода наступает динамическое равновесие, т.е. два встречных потока ионов (от электрода в раствор и обратно) становятся одинаковыми. Этот потенциал называют электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.

1. Анод представляет собой цилиндр из цинка (Zn), который служит оболочкой элемента.

2. Катод - графитовый стержень.

3. Активная масса (прессованная), содержит диоксид марганца (MnO₂ + графитовая сажа +NH₄Cl (хлорид аммония). Вся эта активная масса обернута полотном и перевязана ниткой.

4. Пространство между внутренней и наружной стенками цилиндра заполнено электролитической массой из муки и клееобразующих веществ + раствор NH₄Cl + цинковый порошок.

Сверху элемент заливается смолой для герметизации.

Напряжение порядка 1,5В.

Основным окислительно-восстановительным процессом является химическая реакция

Zn + 2NH₄Cl + 2MnO₂→Zn (NH4)₂Cl₂ + Mn₂O₃ + H₂O

т.е. работа элемента связана с растворением цинка и восстановлением диоксида марганца.

В конструкции сухого элемента отсутствуют жидкости и хрупкие стеклянные части. Со временем разрушается только цинковая оболочка.

Каждый окислительно-восстановительный процесс имеет начало и конец. Отработав определенное время, элемент истощается и его напряжение падает, один из электродов полностью растворяется. Например, растворяется цинковая оболочка и часть электролитной пасты может просочиться наружу.

Использовать в дальнейшем сухой элемент нельзя, хотя в нем еще есть металлы, соли, окислы и другие составные части.

Примером другой химической реакции является взаимодействие диоксида свинца (PbO₂) и свинца в свинцовом аккумуляторе (применяемом в автомобилях), заполненном электролитом (25-30% водный раствор серной кислоты (H₂SO₄). При этом важным моментом является пространственное разделение процессов окисления и восстановления. Для этого создаются два электрода различной природы, погруженные в электролит. Электродами называют электронные проводники, имеющие вывод в аккумуляторе и контактирующие с электролитом.

Рассмотрим явления, происходящие при опускании свинцового (Pb) электрода в раствор серной кислоты (H₂SO₄) (рис.164). Ионы SO₄ ^-2 стремятся окружить положительные ионы свинца в металле В результате действия электростатических сил положительные ионы свинца переходят в раствор серной кислоты. Этому переходу способствует большой дипольный момент иона SO₄^2-. По мере перехода положительных ионов металла в раствор появляется и увеличивается отрицательный потенциал на свинцовом электроде, препятствующий дальнейшему растворению свинцового электрода. При некотором потенциале электрода наступает динамическое равновесие, т.е. два встречных потока ионов (от электрода в раствор и обратно) становятся одинаковыми. Этот потенциал называют электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.

Рис.164 Схема гальванического элемента.

На отрицательном электроде окисляется свинец

Ион свинца переходит в электролит, взаимодействует с ионом SO₄ и осаждается на аноде в виде малорастворимого сульфата свинца PbSO₄.

На положительном полюсе восстанавливается диоксид свинца по схеме

PbO₂ + 4H⁺ + 2e→ Pb²⁺ +2H₂O

И образующиеся ионы Pb²⁺ осаждаются на поверхности катода в виде PbSO₄.

Суммарной реакцией является реакция типа

Pb +PbO₂ + 4Н⁺ +2SO₄^2- → 2PbSO₄ + 2H₂O

В данной реакции восстановителем является - свободный металл, а окислителем - ионы четырехвалентного свинца Pb⁺⁴, входящие в состав диоксида свинца. Они обмениваются между собой электронами и образуются ионы двухвалентного свинца Pb⁺². Различие в электродном материале, а значит и разность электродных потенциалов постепенно уменьшаются. Если этот процесс будет идти до конца, она исчезает совсем. Но этого мы не допустим. После работы в течение определенного времени аккумулятор надо зарядить.

При зарядке он играет роль потребителя электрической энергии. Подключим его к клеммам выпрямителя тока и заставим те же самые процессы протекать в обратном направлении. На одном электроде восстанавливается свинец с нулевой валентностью (металл), а на другом - четырехвалентный.

Свинцовый аккумулятор прост в эксплуатации и обладает устойчивым режимом работы. Его напряжение 2В. Конструируют аккумуляторные батареи, содержащие 2, 4, 6, 8 и более ячеек. Такие батареи используют в двигателях внутреннего сгорания, электромобилях и т.д. Удобно работать с такими батареями. Нет ни дыма, ни выхлопных газов.

Дата добавления: 2015-05-06