Электрохимические источники тока.
Это устройства, позволяющие осуществлять непосредственное превращение химической энергии в электрическую.
Химические источники тока делятся на 3 группы:
1. Первичные источники тока
2. Вторичные источники тока (аккумуляторы)
3. Электрохимические генераторы.
I. элемент Лекланше (сухой марганцово-цинковый элемент).
Zn │NH4CL │ MnO2 + C │ C ЭДС = 1,5 – 1,8 В
В р-р NH4CL добавляют муку или крахмал, и некоторые соли (Zn и Cl2, СаCl2). Угольный стержень окружён MnO2 + C │ Zn – 2е → Zn+2
токообразная реакция │ Mn 
+1→ Mn 
Применяется для питания радиоаппаратуры магнитофонов, карманных фонарей.
Широко известны воздушно-цинковые элементы (элемент «крона ВЦ»)
Zn │NaOH│ O2 (C)
С ЭДС = 1,4 В
Zn + NaOH + 
O2 = NaH Zn O2
Первичные источники тока становятся непригодными после израсходования веществ, из которых они были выполнены.
Химические цепи.
Состоят из двух электродов, причем один из них обратим относительно катиона (электрод I рода), а другой относительно аниона.
Примером химической реакции являются различные аккумуляторы – накопители электрической энергии в виде химической. Они могут быть щелочными и кислотными.
Рассмотрим кислотный свинцовый аккумулятор:
Отрицательным полюсом (анодом) служит свинцовый электрод. Положительным полюсом (катодом) является электрод из диоксида свинца (PbO2), который в виде пасты заполняет ячейки свинцовой решетки. В качестве электролита используют 25 – 30% р-р серной кислоты.
(-) Pb, PbSO4 Сульфат свинцовый эл-д обратимый, относит. аниона SO4  | H2SO4 25÷30 % | PbO2, Pb (+) Свинцовоокисный H3O  кислоты |
Аккумуляторы – гальванические элементы, допускающие многоразовое использование.
Токообразующие вещества в аккумуляторах могут образовываться при пропускании через аккумулятор постоянного электрического тока от другого источника. Процесс регенерации активных веществ называют зарядом аккумулятора.
Свинцовый аккумулятор
Pb │H2SO4 │PbO2│ Pb
25 – 30 %
Анодный процесс:
Pb – 2e 
Pb 
Образующиеся ионы Pb 
осаждаются на поверхности анода в виде малорастворимого PbSO4
Катодный процесс:
PbO2 + 4H3O 
+ 2e 
Pb 
+ 6H2O
Образующиеся ионы Pb 
осаждаются на поверхности катода в виде
PbSO4
Тогда суммарная токообразующая реакция:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 2 PbSO4 + 2H2O ЭДС = 2,1 В.
Сущность – более энергетически богатые Pb и PbO2 переходят в менее энергетически богатое вещество PbSO4.
Во внутренней цепи происходит перенос ионов. Ионы SO4 
движутся к аноду, а ионы H - катоду. У анода расходуются анионы, у катода – катионы. Раствор в целом остаётся электронейтральным.
ЭДС зависит от конц. H2SO4 и для 25% конц. ~ 2 В. Так как H2SO4 при работе связывается, поэтому ЭДС уменьшается. По концентрации кислоты можно судить о степени разряда аккумулятора. На практике измеряется не сама концентрация., а плотность раствора H2SO4.
Недостаток – сравнительно небольшой.
1. Срок службы (из-за постоянной сульфатации электродов – неполное превращение PbSO4 в Pb и PbO2 при заряде)
(2 – 5 лет)
2. Малая удельная ёмкость/на единицу массы (кол-во электричества, которое отдаётся на единицу массы вещества).
3. Особенность электрохимических генераторов состоит в том, что электрохимически активные вещества не закладываются заранее, а подводятся по мере израсходования. Это обеспечивает непрерывность работы.
Свинцовой аккумулятор не должен сильно разряжаться. Если ЭДС падает до 1,8 , то модно считать, что он полностью истощен. В его работе происходит испарение воды и частичное ее разложение, поэтому необходимо добавлять воду в дистиллированную. Всякие примеси снижают КПД. Для зарядки аккумулятора подключают к внешнему источнику тока. При этом ток протекает через аккумулятор в направлении обратном тому, в котором он проходил при зарядке аккумулятора. И электрохимические процессы на электродах обращаются.
Щелочной аккумулятор:
Значительное распространение имеют щелочные железо- или кадмий-никелевые аккумуляторы.
Fe │КОН │NiOOH │Ni ЭДС = 1,35 - 1,4 А
20%
Fe + 2NiOOH + H2O 
2 Ni(OH) + Fe(OH)2
Анодом служит Fe (или кадмиевая) пластина. Катод – никель.
Железо – никелевый аккумулятор.
Электролит 20% КОН.
ЭДС = 1,3 В
Обычно они выпускаются в продажу в виде батарей, состоящих из нескольких ячеек, включенных последовательно. В отличии от кислотных, щелочные аккумуляторы могут долго находиться в заряженном и разряженном состоянии. Щелочные дороже Pb аккумуляторов, но они не чувствительны к большим перегрузкам.
Топливные элементы.
Топливные элементы – это такие источники тока, в которых образование тока происходит за счёт окисления топлива на аноде и восстановления его на катоде.
КПД 25%.
75% энергии рассеивается.
Схема водородно-кислородного топливного элемента
| (-) Pt, Ni H2 | КОН 30 – 40% | O2, Ni Pt (+) Пористые угольные электроды. |
Ан. пр.: 2H2 + 4OH 
= 4H2O + 4e
Кат. пр.: О2 + 2H2O + 4e → 4OH 
Т. О. Р. Н2 + ½ О2 = H2O
1,23 В КПД = 83%
В одном из простейших топливных элементов происходит поглощение Н2 и О2 в присутствии щелочного раствора. Газы поступают в элемент сквозь пористые угольные электроды. В качестве окисляемых на аноде веществ можно применять газообразные углеводороды, а кислорода, содержащегося в воздухе вполне достаточно для обеспечения катода электродным веществом.
Создан и биологический топливный элемент, в котором используются ферменты и мембраны, обладающие селективной проницаемостью для анионов и катионов.
В одном из вариантов такого элемента фермент гидролизирует анод, разлагая на ионные составляющие.
R CONH2 + H2O → RCOO 
+ NH4 
Селективная мембрана представляет собой твёрдое, пористое вещество, на внутренней стороне которого находятся фиксированные ионы, позволяющие диффундировать сквозь поры лишь ионам противоположного знака.