Гальванические элементы

В замкнутом гальваническом элементе происходит взаимодействие между металлом и раствором соли другого металла, не соприкасающимися непосредственно друг с другом. Атомы первого металла, отдавая электроны, превращаются в ионы, а ионы второго металла, присоединяя электроны, превращаются в атомы. Первый металл вытесняет второй из раствора его соли. Электрод, на котором протекает окисление, является отрицательным электродом и называется анодом. Электрод, на котором протекает восстановление, является положительным электродом и называется катодом.

Например, при работе гальванического элемента, составленного из цинка и свинца, погруженных соответственно в растворы Zn(NO₃)₂ и Pb(NO₃)₂ у электродов происходят следующие процессы: цинк, как более активный металл (согласно ряду напряжений), будет окисляться, а ионы свинца из раствора соли будут восстанавливаться:

Zn – 2ē → Zn²⁺

Pb²⁺ + 2ē → Pb.

Суммируя оба процесса, получаем уравнение, выражающее происходящую в гальваническом элементе реакцию в ионной форме:

Zn + Pb²⁺ → Pb + Zn²⁺.

Молекулярное уравнение той же реакции будет иметь вид:

Zn + Pb(NO₃)₂ → Pb + Zn(NO₃)₂.

Гальванический элемент обозначают схемой. Слева записывается анод Zn|Zn²⁺, на котором возникает избыток электронов и происходит процесс окисления – отрицательный полюс (–). Справа – катод Pb²⁺|Pb – электрод с недостатком электронов, положительный полюс (+). Одна вертикальная черта изображает фазовый раздел между металлом и раствором электролита. Двойная вертикальная линия отделяет анодное пространство от катодного. Электроны по внешнему участку цепи, металлическому проводнику, переходят от отрицательного полюса к положительному. Внешнюю цепь на схеме не изображают. В круглых скобках знаками «плюс» и «минус» обозначают полюсы электродов. В рассмотренном примере эта схема будет иметь следующий вид:

(–)Zn|Zn²⁺||Pb²⁺|Pb(+) или (–)Zn|Zn(NO₃)₂||Pb(NO₃)₂|Pb(+).

Гальванические элементы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), которая равна разности потенциалов двух его электродов. При определении его всегда вычитают из большего потенциала меньший.

Например, электродвижущая сила рассмотренного элемента (при условии, что металлы погружены в растворы, в которых концентрация ионов равна 1 моль/л) равна:

ЭДС = Е(Pb) – Е(Zn) = -0,13 + (-0,76) = 0,63 В

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

Если процессы окисления и восстановления пространственно разделить, то любую окислительно-восстановительную реакцию можно использовать для получения электрической энергии. Устройства, которые позволяют энергию химической реакции преобразовать в электрическую, называют химическими источниками тока.

Любой гальванический элемент может в принципе служить источником тока, т.к. позволяет энергию химической реакции преобразовать в электрическую. Но лишь немногие из них удовлетворяют требованиям, делающим возможным их техническое использование.

Все химические источники тока подразделяют на первичные и вторичные. Первичные – это такие источники, которые после полного разряжения становятся не пригодными для дальнейшего использования. Вторичные – аккумуляторы – это такие источники тока, которые являются обратимыми гальваническими элементами многоразового действия. При пропускании через них электрического тока (зарядке) они накапливают химическую энергию, которую потом при их работе (разрядке) отдают потребителю в виде электрической энергии.

Первичные источники тока называют элементами. Элемент представляет собой стаканчик из металла, служащего анодом, заполненный электролитом, насыщенным до студнеобразного состояния крахмалом, в электролит вставлен угольный стержень, который играет роль токоотвода.

В основе некоторых сухих батарей лежит схема элемента Лекланше:

Zn|NH₄Cl|MnO₂.

Цинк является анодом, активным веществом катода служит оксид марганца (IV), в который запрессован угольный стержень, который играет роль токоотвода. Батарея работает за счет протекающей в ней реакции:

Zn + 2MnO₂ + 2NH₄Cl = Zn(NH₃)₂Cl₂ + 2MnO(OH), ЭДС = 1,5 В.

АККУМУЛЯТОРЫ

Из аккумуляторов наиболее распространены два вида: кислотный (свинцовый) и щелочные.

В свинцовом аккумуляторе анод состоит из свинца и представляет собой систему перфорированных пластин, заполненных губчатым свинцом, катод – из диоксида свинца, впрессованного в свинцовые решетки. Электролитом служит раствор H₂SO₄ (32–39 %), в котором PbSO₄ и PbO₂ малорастворимы.

Схему аккумулятора можно изобразить так:

Pb|H₂SO₄|PbO₂, ЭДС = 2 В.

Анодный процесс работающего аккумулятора: Pb + SO₄^2- – 2ē = PbSO₄,

катодный процесс: PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2ē = PbSO₄ + 2H₂O.

Таким образом, в свинцовом аккумуляторе осуществляется реакция:

Pb + 2H₂SO₄ + PbO₂ = 2PbSO₄ + 2H₂O.

В процессе работы аккумулятора концентрация кислоты падает, а следовательно, падает и ЭДС. Когда ЭДС достигает 1,85 В, аккумулятор считается разрядившимся. При более низкой ЭДС пластины покрываются тонким слоем PbSO₄ и аккумулятор разряжается необратимо. Во избежание этого аккумулятор периодически подзаряжают. При зарядке аккумулятора протекает обратная реакция. Благодаря большому перенапряжению водорода на свинце катодный процесс сводится к восстановлению катионов свинца, и только после окончания этого процесса выделяется водород и одновременно на аноде выделяется кислород. Начавшийся электролиз воды сопровождается резким повышением напряжений на зажимах и свидетельствует об окончании зарядки аккумулятора.

В качестве примера щелочных аккумуляторов рассмотрим никель-кадмиевый щелочной аккумулятор.

В заряженном щелочном никель-кадмиевом аккумуляторе отрицательным электродом (анодом) служит губчатый кадмий, активным веществом положительного электрода – никель, окруженный оксидом никеля (III), в качестве электролита – 30%-й раствор KOH:

Cd|KOH||Ni₂O₃|Ni

При работе аккумулятора на аноде происходит окисление кадмия, а на катоде – восстановление оксида никеля (III), суммарный процесс выражается реакцией:

Cd + Ni₂O₃ +3H₂O = Cd(OH)₂ + 2Ni(OH)₂

Разрядка аккумулятора происходит при напряжении около 1,3 В, по достижении 1,0 В ее прекращают. Данный элемент широко используется благодаря его малому весу, большому сроку службы и простоте ухода.

Дата добавления: 2014-01-04