Аккумуляторы

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 химическимиисточниками 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.

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: 2013-12-12