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.
![]() | ![]() | |
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¯ | ||
2Н2 + О2 ® 2Н2О. |
Схематическое изображение такого топливного элемента приведено на рис. 7.
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:
;
.
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,
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 Sn2+,
уравнение Нернста будет иметь следующий вид:
.
Подставляем в уравнение значения
, Е = –0,126 В и z = 2
-0,126 = -0,136 + 0,0295 · lg [Sn2+],
и вычисляем равновесную концентрацию ионов Sn2+:
;
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:
.
Так как на каждом электроде устанавливается равновесие
Сr – 3ē Сr3+,
то z = 3. Следовательно:
;
.
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.
Ответ: 0,079 В.
ЗАДАЧИ