Свинцовая аккумуляторная батарея

Аккумуляторами называют гальванические элементы, которые можно полностью регенерировать, производя их зарядку.

Наиболее распространены аккумуляторы:

свинцовый никель – железный никель – кадмиевый
Pb | PbSО4 | PbO2 | Pb Fe | KOH | NiOOH | Ni Cd | KOH | NiOOH | Ni

Разработаны и применяются серебряно–цинковые аккумуляторы:

Zn | KOH + K2 ZnO2 | AgO или Ag2 O | Ag.

Одной из наиболее распространённых является свинцовая аккумуляторная батарея, которая используется в автомобилях. Такая батарея напряже­нием 12 В состоит из шести элементов (аккумуляторов), каждый из которых даёт напряжение 2В. Анод каждого элемента выполнен из свинца, катод – из диоксида свинца РbО2, заполняю­щего металлическую решётку. Оба электрода погружены в серную кислоту.

В процес­се разрядки в батарее протекают электродные реакции:

  А: Pb + HSO4 ® PbSO4 + H+ + 2ē  
  К: PbO2 + HSO4 + 3H+ + 2ē ® PbSO4 + 2H2O  
  Pb + PbO2 + 2H+ + 2HSO4 ® 2PbSO4 + 2H2O.  

Реагенты Рb и РbО2, между которыми происходит перенос электронов, служат элек­тродами. Поскольку это твёрдые вещества, то отпадает необходи­мость в разделении электрохимического элемента на анодное и катодное отделения. Между Рb и РbО2 нет прямого физического контакта, если конечно одна электродная пластина случайно не соприкоснётся с другой. Чтобы предотвратить соприкосновение электродов, между ними помещают перегородки из стекловолокна. Для повышения силы снимаемого электрического тока в каждом элементе помещено несколько анодных и катодных пластин, как это показано на рис. 5.

Из приведённых уравнений видно, что в процессе разрядки свинцовой аккумуляторной ба­тареи и на катоде, и на аноде образуется одно и то же вещество – нерастворимая соль PbSO4, и расходуется серная кислота. Раствор электролита в свежезаряжённой батарее имеет плотность 1,25–1,30 г/см3, которая в процессе разрядки уменьшается.

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru  
Рис. 6.Ареометр, предназначенный для изме­рения плотности электролита в свинцовом акку­муляторе  
Рис. 5. Свинцовая аккумуляторная батарея  

Если плотность раствора электролита становится ниже 1,20 г/см3, батарея нуждается в перезарядке. Плот­ность электролита измеряют при помощи ареометра. Этот прибор, изображённый на рис. 6, снабжён поплавком, который погружается в жидкость на глубину, завися­щую от её плотности. Существует разновидность свинцовых аккумуляторов, в ко­торых роль электролита играет гель, пропитанный H2SO4; такие батареи используют­ся в запаянном виде.

Свинцовая аккумуляторная батарея удобна тем, что её можно перезаряжать. Для этого аккумуляторную батарею подключают к внешнему источнику энергии, который позволяет обращать напра­вление окислительно-восстановительной реакции. Во время зарядки в батарее протекает реакция

2PbSO4 + 2H2O ® Pb + PbO2 + 2H+ + 2HSO4.

В автомобиле необходимую для перезарядки батареи энергию получают от генерато­ра, который приводится в действие двигателем. Перезарядка возможна благодаря то­му, что PbSO4, образующийся во время разрядки батареи, не отделяется от электро­дов. Поэтому при подключении внешнего источника тока на одном электроде PbSO4 превращается в Рb, а на другом – в РbО2, то есть вновь образуются вещества, имевшиеся в свежезаряжённой бата­рее.

При слишком быстрой зарядке батареи возможно разложение воды на водород и кислород и образование взрывоопасной газообразной смеси Н2 и О2. Кроме того, эта вторичная реакция приводит к сокраще­нию срока службы батареи. Выделение Н2 и О2 вызывает механиче­ское удаление Рb, РbО2 и PbSO4 с поверхности электродов и накопление этих веществ в виде шлама в нижней части батареи. Со временем это может вызвать короткое за­мыкание в батарее и вывести её из строя.

7. НИКЕЛЬ – КАДМИЕВАЯ АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ

Никель – кадмиевая перезаряжаемая батарея удобна в различных бытовых приборах, питаемых аккумуляторами, и в пере­носных вычислительных устройствах. При разрядке в этой батарее протекают следую­щие электродные реакции:

А: Cd + 2OH¯ ® Cd (OH)2 + 2ē

К: NiO2 + 2H2O + 2ē ® Ni(OH)2 + 2OH¯.

Как и в свинцовой аккумуляторной батарее, в никель – кадмиевых батареях продукты реакции не отделяются от электродов. Это позволяет легко проводить обратные реак­ции при перезарядке. Поскольку ни на стадии разрядки, ни на стадии зарядки не про­исходит выделения газов, никель – кадмиевую батарею можно герметизировать, что представляет собой значительное удобство.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Многие вещества, например водород Н2 или метан СН4, используются как топлива. Выделяемая при их реакции с кислородом теплота является источником электрической энергии. Выделяемую при горении тепловую энергию превращают в электрическую в особых гальванических элементах, называемых "топливными".

Прямое преобразование химической энергии в электрическую имеет большие преимущества по сравнению с обычным способом превращения химической энергии сначала в тепловую и лишь после этого в электрическую энергию. При превращении энергии из одной формы в другую или при её передаче от одного вещества к другому происходят неиз­бежные потери энергии и тепловое загрязнение окружающей среды. Обычно в элек­трическую энергию удаётся превратить не более 40 % энергии, полученной в результа­те сгорания топлив; остальная часть рассеивается в окружающую среду в виде бесполезной теплоты. Первые топливные элементы своё название "топливные" получили потому, что реагентами в них служили традиционные топлива. В дальнейшем вместо неэффективных топлив стали использовать другие восстановители, но название "топливные" осталось.

В топливных элементах электрическая энергия образуется в результате химической реакции между восстановителем и окислителем, непрерывно поступающими к электродам извне. Восстановителем на отрицательном электроде чаще всего служит водород Н2, иногда гидразин N2H4, окислителем на положительном электроде – молекулярный кислород О2 или воздух.

Разработка практически действующих топливных элементов является наукоёмким процессом. Одной из возникающих при этом проблем являет­ся высокая температура, при которой работает большинство топливных элементов, что не только способствует рассеянию энергии, но и ускоряет коррозию частей гальвани­ческого элемента. Низкотемпературный топливный элемент, в котором ис­пользуется водород, пока слишком дорог для широкого применения. Однако он используется в специальных устройствах, например для оснащения космических аппаратов.

Так, например, топливный элемент на основе Н2 – О2 служил в качестве главного ис­точника электрической энергии на космических кораблях, летавших на Лу­ну. Масса топливного элемента, обеспечивавшего космический корабль энергией в течение 11-днев­ного полёта, составляла около 250 кг. Если бы для такой цели применялся обычный генератор электрической энергии, его масса должна была бы составлять несколько тонн.

В водородно – кислородном топливном элементе на электродах протекают реакции:

  А: 2Н2 + 4ОН¯ ® 4Н2О + 4ē  
  К: О2 + 2Н2О + 4ē ® 4ОН¯  
  2 + О2 ® 2Н2О.  

Схематическое изображение такого топливного элемента приведено на рис. 7.

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru

Рис. 7.Схема водородно – кислородного топливного элемента:

1 – пористые угольные электроды; 2 – вольтметр

Электроды выполнены в виде полых трубок из пористого спрессованного угля, пропитанного катализатором. Электролитом служит гидроксид калия КОН. Такой топливный элемент работает до тех пор, пока в него ведётся подача реагентов (газообразных Н2 и О2).

Система, состоящая из батареи топливных элементов и устройств для обеспечения и регулирования подачи реагентов, отвода продуктов реакции и тепла, называется электрохимическим генератором.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

1. Гальванический элемент состоит из никелевой и кадмиевой пластин, опущенных в водные растворы солей с кон­центрациями ионов Ni2+ и Cd2+, равными 0,001 и 0,1 моль/л соответственно. Вычислите ЭДС и составьте схему гальванического элемента. Напишите уравнения электродных процессов.

Решение.

Поскольку электродные потенциалы металлов не являются стандартными (концентрации ионов не равны 1 моль/л), оп­ределяем их значения по уравнению Нернста для электродов I рода:

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru ;

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru .

Так как кадмиевый электрод имеет меньшее значение электродного потенциала, то он является анодом, а никелевый электрод – катодом.

Схема гальванического элемента:

– Cd | Cd2+ || Ni2+ | Ni + .

Уравнения электродных процессов:

A: Cd – 2ē ® Cd2+;

K: Ni2+ + 2ē ® Ni,

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru

Ответ: 0,096 В.

2.Электродный потенциал оловянного электрода I рода равен -0,126 В. Вычислите равновесную концентрацию ионов Sn2+.

Решение.

Учитывая, что на оловянном электроде устанавливается равновесие

Sn – 2ē свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru Sn2+,

уравнение Нернста будет иметь следующий вид:

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru .

Подставляем в уравнение значения

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru , Е = –0,126 В и z = 2

-0,126 = -0,136 + 0,0295 · lg [Sn2+],

и вычисляем равновесную концентрацию ионов Sn2+:

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru ;

lg [Sn2+] = 0,339;

[Sn2+] = 2,183 моль/л.

Ответ: 2,183 моль/л.

3.Составьте схему, напишите уравне­ния электродных процессов и вычислите ЭДС гальванического элемен­та, в котором одна хромовая пластина находится в 0,1 М растворе Cr2(SO4)3, а другая – в 0,001 М растворе такой же соли.

Решение.

Вычисляем электродные потенциалы хромовых электродов по уравнению Нернста:

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru .

Так как на каждом электроде устанавливается равновесие

Сr – 3ē свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru Сr3+,

то z = 3. Следовательно:

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru ;

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru .

Поскольку электродный потенциал хрома в 0,001 М растворе мень­ше, чем в 0,1 М растворе, то схема гальванического эле­мента будет иметь вид:

- Cr | 0,001 M Cr2(SO4)3 || 0,1 M Cr2(SO4)3 | Cr + .

Уравнения электродных процессов:

A: Cr – 3ē ® Cr3+;

K: Cr3+ + 3ē ® Cr.

свинцовая аккумуляторная батарея - student2.ru

Ответ: 0,079 В.

ЗАДАЧИ

Наши рекомендации