1. Записать схемы электродов.
2. Рассчитать величины электродных потенциалов металлов (φ1 и φ2), используя уравнение Нернста
3. Определить, зная, что φк > φа, металл электрода-анода и металл электрода-катода.
4. Составить схему гальванического элемента, используя принятую форму записи.
5. Записать уравнения катодной, анодной и суммарной реакций, идущих в элементе.
6. Рассчитать ЭДС гальванического элемента.
Гальванические элементы – это химические источники тока однократного действия. Применяются в виде сухих, наливных и топливных батарей.
ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
Химические источники тока делятся на первичные и вторичные источники тока. Первичные источники не перезаряжаются, т.е. израсходованные активные материалы в них не могут быть регенерированы или заменены, и батарею электропитания приходится выбрасывать. Вторичная (аккумуляторная) батарея может быть перезаряжена. Израсходованные активные материалы в ней могут быть регенерированы, и такая батарея электропитания допускает многократное повторное использование.
Первичные источники тока
Сухой элемент Лекланше. Большинство первичных источников тока, выпускаемых в настоящее время промышленностью, относятся к сухим батареям электропитания. Около 25% сухих батарей выполнены на основе марганцово-цинкового элемента Лекланше – одного из первых сухих элементов.
В сухом элементе Лекланше (рис. 6) имеется графитовый положительный электрод, окруженный электролитом в виде смеси диоксида марганца (MnO2), графитового порошка, хлорида аммония (NH4Cl), хлорида цинка (ZnCl2) и воды. Эта смесь служит также деполяризующим агентом, предотвращающим образование газообразного водорода внутри элемента. Если не предотвратить образование водорода, то под давлением газа батарейка раздувается, в результате чего нарушается ее герметичность и из нее вытекает электролит. Электролит и графитовый электрод находятся в тонкостенном цинковом стаканчике, который, выполняя функции защитного корпуса, служит также отрицательным электродом батарейки.
Рис. 6. ГРАФИТОВО-ЦИНКОВЫЙ СУХОЙ ЭЛЕМЕНТ
1 –бесшовный цинковый стаканчик (отрицательный электрод); 2 – графитовый стержень (положительный электрод); 3 – деполяризующая смесь; 4 – пастообразный электролит.
В элементе Лекланше электричество вырабатывается за счет химического взаимодействия электролита с цинковым электродом, являющимся анодом. При подключении к зажимам батарейки внешней нагрузки, например лампочки карманного фонарика, через лампочку начинает проходить ток от цинкового электрода к графитовому. Ток не прекращается, пока не растворится почти весь цинк. После этого батарейка теряет работоспособность, и ее необходимо заменить.
Щелочной марганцово-цинковый сухой элемент. Щелочной марганцово-цинковый сухой элемент отличается от сухого элемента Лекланше главным образом тем, что в нем в качестве электролита используется высокоактивная щелочь КОН.
Схема записи элемента:
A(-) Zn|Zn2+, NH4Cl||MnO(OH)|MnO2, C (+) K
Реакции, идущие на катоде и аноде в марганцово-цинковом гальваническом элементе:
A (-) Zn – 2e- ® Zn2+
K (+) 4MnO2 = 4H+ + 4e- ® 4MnO(OH)
Суммарная реакция:
или
В щелочном элементе примерно вдвое больше активных веществ, чем в элементе Лекланше, и он очень подходит для многих устройств со сравнительно большой потребляемой мощностью, таких, как лампы-вспышки фотоаппаратов, вращательные электроприводы и мощные стереофонические звуковые системы. Щелочные элементы применяются примерно в 50% бытовой электронной аппаратуры.
Щелочной марганцово-цинковый элемент дает напряжение 1,5 В.
Топливные элементы.
Топливные элементы могут работать в непрерывном режиме без простоев для перезарядки, так как их активный материал (водород, СО2, уголь, жидкие и газообразные углеводороды) подводится из внешнего источника. Их электролит в процессе работы не изменяется. В топливных элементах энергия химических реакций, выделяющаяся в процессе окисления топлива, непосредственно преобразуется в электричество. Их теоретический КПД близок к 100%. т.к. окислительно-восстановительная реакция горения топлива используется непосредственно для прямого получения электрического тока в топливном элементе.
Топливные элементы в будущем могут использоваться как автономные источники тока для автомобилей и катеров, электрогенераторы для индивидуальных домашних хозяйств, переносные силовые блоки для инструментов и другого оборудования.
Электрическую энергию получают непрерывно до тех пор, пока в анодное пространство элемента не прекратится подача топлива, а в катодное – кислорода (или воздуха). Схема записи низкотемпературного Н2/О2 топливного элемента:
А(-) Ni(H2)|H2SO4|(O2)C,Ag (+)K
Суммарная реакция: 2Н2О +О2 = 2Н2О(Ж)