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

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.