Химические источники тока

Лекция 11. Электрохимия.

Электрохимия естественнонаучная дисциплина, котораяизучает физико-химические свойства ионных растворов и расплавов, а также явления, которые протекают на границе раздела фаз с участием заряженных частиц.

Химические источники тока (ХИТ) - это устройства, в которых энергия химической реакции преобразуется в электрическую. В гальванических элементах могут использоваться только те реакции, которые идут самопроизвольно и для ΔG<0.

При погружении цинковой пластинки в раствор сульфата меди самопроизвольно протекает реакция

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu

в результате, которой атомы цинка окисляются, а ионы меди восстанавливаются. При таком проведении процесса энергия химической реакции превращается в тепловую энергию, но если провести процессы окисления и восстановления раздельно и осуществить передачу электронов через внешнюю цепь, можно использовать энергию химической реакции для совершения работы. Активные вещества (окислители и восстановители) в совокупности с электролитом и электродами образуют электрохимическую систему (гальванический элемент (ГЭ)), которая условно изображается следующим образом:

(-) вещество (1)| электролит (1) || электролит (2) | вещество (2) (+)

Электродная электрохимическая реакция протекает на границе раздела фаз между электродом и электролитом.

Одним из наиболее простых ГЭ является элемент Даниэля-Якоби, состоящий из двух электродов - цинкового и медного, погруженных в соответствующие растворы сульфатов цинка и меди. Вся совокупность этих процессов выражается уравнением полуреакции:

Zn - 2е- = Zn²⁺ Е_о = (-0,76) В

Cu²⁺ + 2e- = Cu Е_о = +0,34 в

Общий процесс является суммой процессов, протекающих на отдельных электродах:

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu

Схематическое изображение элемента Даниэля-Якоби имеет вид:

(-)Cu Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu(+)

Электрический ток, протекающий по внешней цепи ГЭ, может производить полезную работу (А), которая определяется произведением количества прошедшего по цепи электричества (Q = It, где I –ток, t - время) на напряжение (U), измеренное на концах гальванического элемента:

A = I t U

Максимальное значение напряжения ГЭ, соответствующее обратимому протеканию реакции, называется электродвижущей силой (э.д.с. - ΔЕ), которая для элемента Даниэля-Якоби она равна

ΔЕ = 0,34 - (-0,76) = 1,1 В

Между э.д.с. (ΔЕ) гальванического элемента и энергией Гиббса химической реакции имеется простая связь, которая выражается уравнением:

-ΔG = nFΔЕ..

Компонентами сухого марганцово-цинкового элемента являются твердые вещества или влажные пасты, помещенные в плотно закрывающую их оболочку. Роль анода играет цинковая оболочка самого элемента. Вокруг угольного стержня, являющегося катодом, расположена паста, состоящая из MnO₂, NH₄Cl и H₂O. На аноде происходит окисление цинка до Zn²⁺, а на катоде - восстановление MO₂ до Mn³⁺, который образует смесь нескольких соединений. Схематическое изображение марганцево-цинкового элемента следующее:

(-)Zn NH₄Cl,H₂O MnO₂(+)

анод: Zn - 2e- = Zn²⁺ Е_о = -(-0,76) В

катод: 2MnO₂ + 8NH₄⁺ + 2e- = 2Mn³⁺ + 4H₂O + 8NH₃ Е_о = +1,25 В,

ΔЕ = +0,76 + 1,25 = 2,01 В.

ГЭ могут обладать свойством обратимости: это означает, что если к элементу приложить внешнее напряжение, которое превышает собственное напряжение элемента, протекающие в нем реакции могут пойти в обратном направлении, и таким образом удается запасти в элементе электрическую энергию. ГЭ, работоспособность которых, после разряда может быть восстановлена путем заряда, называются аккумуляторами. Обратимым является элемент Даниэля-Якоби. Для того чтобы элемент можно было перезарядить, электродные продукты должны оставаться вблизи электродов и допускать обратное превращение при зарядке элемента.

Примером такого элемента является свинцовый аккумулятор, который схематически изображается следующим образом:

(-)Pb |H₂SO₄ || PbO₂(+)

В качестве анода в нем используется пластина из пористого свинца, который окисляется в сульфат свинца. Аналогично при восстановлении на катоде оксида свинца в сульфат свинца продукт восстановления остается на месте.

анод: Pb - 2e- = Pb²⁺ Е_о = -(-0,13) В

катод: PbO₂ + 2e- + 4H⁺ + SO₄^2- = PbSO₄ + 2H₂O Е_о = +1,69 В

ΔЕ = 1,69 - (-0,13) = 1,82 В

Если последовательно соединить несколько таких элементов, получатся аккумуляторные батареи, дающие напряжение 6 или 12 В.

После того как произойдет разрядка свинцового аккумулятора, его можно перезарядить, в результате чего сульфат свинца превращается в свинец и оксид свинца.

Топливные ХИТ в своей работе преобразую химическую энергию реакции горения, какого то вещества в кислороде, в электрическую, например

2H₂ +O₂ = 2H₂O.

Газообразный кислород и водород пропускается у соответствующих электродов, а в качестве электролита используется раствор гидроксида калия.

Дата добавления: 2014-01-07