Лекция 17
Гальванические элементы
План:
1. Понятие гальванического элемента
2. Химические источники тока
3. Регенерация и утилизация ХИТов
Понятие гальванического элемента
Гальванический элемент – прибор, который преобразовывает химическую энергию в электрическую. Одним из таких элементов является элемент Даниэля – Якоби. Этот элемент состоит из двух электродов: цинкового и медного, – погруженных в соответствующие сульфатные растворы, между которыми пористая перегородка:
При замыкании внешней цепи электроны переходят от Zn к Cu, происходит диффузия цинка в медь:
Образуем электрохимическую схему:
Анод – отрицательный электрод (слева). Катод – положительный электрод.
Для определения ЭДС этого элемента нужно сравнить стандартные электродные потенциалы обоих электродов. При записи электродных реакций принято, что окисленная форма находится в левой части, а восстановленная – в правой части уравнения.
Zn0 – 2e = Zn2+
Cu2+ + 2e = Cu0
E0(Zn0/Zn2+) = -0,76 B
E0(Cu0/ Cu2+) = 0,34 B
Ɛ = Eкатода - Еанода
где Ɛ – электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента, когда все реагенты в стандартном состоянии.
ЭДС элемента вычисляется вычитанием из потенциала катода потенциала анода.
ЭДС элемента равна +0,34 – (–0,76) = 1,1 В; чем больше электродные потенциалы отличаются друг от друга, тем больше ЭДС. Если погрузить металл в раствор соли большей концентрации, то потенциал нестандартный. Значит, на величину электродного потенциала влияет концентрация и температура. Такая зависимость выражается уравнением В. Нернста.
где п – число ионов;
R – универсальная газовая постоянная;
Т – температура;
С – концентрация активных ионов в растворе;
F – число Фарадея = 96500 В.
Химические источники тока
ХИТы – устройства, которые применяют для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. ХИТы применяются в различных областях техники. В средствах связи: радио, телефон, телеграф; в электроизмерительной аппаратуре; они служат источниками электропитания для автомобилей, самолетов, тракторов; применяются для приведения в действие стартеров и др.
Недостатки ХИТ:
1) стоимость веществ, необходимых для работы: Pb, Cd, – высока;
2) отношение количества энергии, которую может отдать элемент, к его массе, мало.
Преимущества ХИТ:
1) ХИТы делятся на две основные группы: обратимые (аккумуляторы), необратимые (гальванические элементы). Аккумуляторы можно использовать многократно, так как их работоспособность может быть восстановлена при пропускании тока в обратном направлении от внешнего источника, а в гальванических элементах допускают лишь однократное использование, поскольку один из электродов (Zn в элементе Даниэля – Якоби) необратимо расходуется;
2) применяются электролиты, поглощенные пористыми материалами, они имеют большее внутреннее сопротивление;
3) создание топливных элементов, при работе которых расходовались бы дешевые вещества с малой плотностью (природный газ, водород);
4) удобство в работе, надежность, высокие и стабильные напряжения.
Рассмотрим процесс технологии на основе свинцово-кислотного аккумулятора с намазными электродами.
Общая схема: (–) активное вещество | электролит | активное вещество (+).
Активным веществом отрицательного электрода служит восстановитель, отдающий электроны. При разряде отрицательный электрод является анодом, т. е. электродом, на котором протекают окислительные процессы. Активное вещество положительного электрода – окислитель. Активные вещества – окислитель и восстановитель – участвуют в электрохимической реакции.
Электрохимическая схема свинцово-кислотного аккумулятора
Активными веществами свинцового аккумулятора являются: губчатый свинец и PbO2. Создание активных масс в электродах заключается в следующем: на электропроводящий каркас конструкции наносят пасту или смесь оксидов Pb; при последующем формировании пластин оксиды Pb превращаются в активные вещества. Формирование – перевод незаряженной массы в заряженную. Такого рода пластины подразделяются в зависимости от типа каркаса на намазные и решетчатые. Большинство аккумуляторов собирают из намазных пластин. При их изготовлении пасту из оксидов свинца вмазывают в ячейки профилированных решеток толщиной 1 – 7 мм, отлитых из Pb – Sb сплава. После затвердевания паста удерживается на решетке, гарантия такого аккумулятора – 2 – 3 года. При выборе материалов токоотводов положительных электродов аккумуляторов важно обеспечить их практическую пассивность (при сохранении электрической проводимости) в условиях заряда (до весьма высоких потенциалов при анодной поляризации). Для этой цели в растворах H2SO4 применяют Pb или его сплавы. Корпус и крышка ХИТ могут быть изготовлены из стали, либо из различных диэлектриков, но в свинцово-кислотных аккумуляторах корпус выполняют из эбонита, полипропилена, стекла. Электролит в свинцово-кислотном аккумуляторе может участвовать в суммарной токообразующей реакции. Для токоведущих отводов отрицательного электрода применяют Cu, Ti, Al.