Химический источник тока конспект

Химический источник тока конспект

Виды химических источников тока

Классификация гальванических элементов

Принцип действия аккумулятора

Виды химических источников тока

Химическими источниками тока (ХИТ) называются электрохимические устройства, в результате работы которых химическая энергия окислительно-восстановительных процессов превращается в электрическую энергию постоянного тока. К ним относятся гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы. Во всех видах химических источниках тока используются электролиты – водные, неводные, твердые. К достоинствам современных ХИТ относятся относительно высокие КПД (до 0,8) и высокая удельная мощность (количество энергии, отдаваемое в единицу времени единицей массы ХИТ), что позволяет им конкурировать с другими источниками тока. Основным их недостатком является ограниченный срок службы.

Классификация гальванических элементов

Среди большого разнообразия гальванических элементов можно выделить три основных типа.

Первый тип . Пластины из двух различных металлов находятся в растворах солей, содержащих собственные ионы. К этому типу относится медно-цинковый гальванический элемент (элемент Даниэля – Якоби ).

Второй тип. Пластины из двух различных металлов находятся в растворе одного электролита. Примером может служить элемент Вольта, состоящий из двух пластин (Zn и Cu), погруженных в раствор серной кислоты. При его работе происходят следующие процессы:

(-) А: Zn  Zn 2+ + 2— окисление (анодный процесс)

(+) К: 2Н + + 2 Н2 — восстановление (катодный процесс)

Выделяющийся водород насыщает поверхность катода (меди), в результате чего получается электрод другого состава (не медный, а водородный).

Схема гальванического элемента Вольта:

2

В скобках справа указывается (Сu) — место выделения водорода.

Третий тип. Гальванические элементы составлены из двух совершенно одинаковых по природе электродов (например, медных), погруженных в растворы одного и того же электролита, но различной концентрации. Такие элементы называются концентрационными.

Схема медного концентрационного гальванического элемента:

2

C1 + + SO(р-р)

2PbSO4(тв) + 2H2O Pb(тв) + PbO2(тв) + 2 H2SO4(р-р)

ЭДС заряженного аккумулятора приблизительно равна 2 В (если 6 таких аккумуляторов последовательно соединить, получается обычный автомобильный аккумулятор с ЭДС = 12В).

При работе аккумулятора – его разрядке, когда он работает как химический источник тока, на электродах протекают электродные процессы в обратном направлении.

По мере его разрядки расходуются материалы катода (PbО2) , анода (Pb) и электролит — серная кислота. Напряжение на зажимах аккумулятора падает и его необходимо заряжать. Для зарядки аккумулятор подключают к внешнему источнику тока, направление тока противоположно разрядному.

Токообразующие и электродные реакции в свинцовом аккумуляторе можно представить в виде:

Pb(тв) + SO(р-р)  PbSO4(тв) + 2

PbО2(тв) + 2+ 4 Н + (р-р)+ SO(р-р)  PbSO4(тв) + 2 Н2О

«разрядка»

«зарядка»

Cхема кислотного аккумулятора:

Стандартные величины потенциалов для электродов свинцового аккумулятора имеют следующие значения: ,.

ЭДС аккумулятора, как химического источника тока, рассчитывается по уравнению:

+

Из данного уравнения видно, что ЭДС аккумулятора зависит от концентрации (активности) серной кислоты, которая возрастает при заряде аккумулятора и уменьшается при его разояде. О степени разряда аккумулятора судят по концентрации электролита, т.е. концентрации H2SO4. Используя концентрированные растворы H2SO4, можно было бы увеличить ЭДС аккумулятора, однако при концентрации H2SO4 больше 39% резко уменьшается электропроводность растворов и увеличивается растворимость свинца, поэтому оптимальными являются 32 — 39 % — ные растворы H2SO4.

Во время заряда аккумулятора растет напряжение на его полюсах. В конце оно достигает такого значения, что начинается электролиз воды, сопровождающийся выделением водорода на катоде и кислорода – на аноде:

Читайте также:  Передача показаний счетчиков воды какие цифры писать

( -) К : 2 Н2О + 2  Н2+2 ОН —

(+) А : 4 ОН —  О2+ 2 Н2О + 4

2 Н2О  2 Н2+ О2

Так называемое «кипение» электролита является признаком окончания заряда свинцового аккумулятора. Заряженный аккумулятор может быть сразу использован по назначению. При хранении же из него выливают электролит и промывают водой. В таком виде он может находиться до 2 лет и для его использования достаточно лишь залить электролит. При хранении незаряженного аккумулятора с раствором серной кислоты происходит его «сульфатирование» – образование на пластинках большого количества PSO4. Когда кислотный аккумулятор работает, давая ток, PSO4 осаждается в очень мелкозернистой форме на поверхности электродов. Когда же аккумулятор выключен, мелкозернистый слой рекристаллизуется и образуются более крупные кристаллы, которые могут закупорить поры электрода, уменьшая его поверхность или отрываться от электрода и оседать на дно аккумулятора. Процесс сульфатации является основной причиной выхода аккумулятора из строя, поэтому нужно следить, чтобы аккумулятор не простаивал частично в разряженном состоянии.

Преимущества свинцового аккумулятора – высокий КПД (около 80 %), высокая ЭДС и относительно малое ее изменение при разряде, большая электрическая емкость, устойчивость в работе. Недостатки – большая масса и, следовательно, малая удельная емкость, саморазряд аккумулятора при хранении, малый срок службы (2 – 5 лет), а также токсичность свинца и сильные окислительные свойства H2SO4.

Щелочные аккумуляторы различаются по материалу пластин отрицательно заряженного электрода. Наиболее распространенные из них кадмий — никелевые (Cd — Ni) и железо — никелевые ( Fe – Ni ) аккумуляторы. Активная масса положительных пластин состоит, в основном, из гидратированного оксида никеля (III), кроме того в ней содержится графит, добавляемый для увеличения электропроводности. Электролитом служит раствор КОН (20 %), содержащий небольшое количество LiOH. ЭДС заряженного аккумулятора (Cd — Ni) приблизительно равна 1,3 В.

Презентация была опубликована 5 лет назад пользователемНаталья Недошивина

Похожие презентации

Презентация на тему: " ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА. ЭЛЕКТРОЛИЗ ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. ЛЕКЦИЯ 13." — Транскрипт:

1 ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА. ЭЛЕКТРОЛИЗ ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. ЛЕКЦИЯ 13.

2 Химические источники тока Устройства, превращающие химическую энергию окислительно — восстановительных реакций в электрическую 2 Гальванические элементы Первичные элементы Источники тока одноразового действия, после израсходования реагентов в процессе разряда становятся неработоспособными Аккумуляторы Вторичные элементы Можно использовать многократно При пропускании через них постоянного тока от внешнего источника происходит регенерация израсходованных реагентов ( зарядка аккумулятора ) Топливные элементы Устройства непрерывного действия Способны работать в течение длительного времени благодаря тому, что к электродам постоянно подводятся реагенты В них энергия сгорания топлива непосредственно превращается в электроэнергию

3 Гальванические элементы На практике наиболее распространены сухие гальванические элементы Применяют как источники питания в системах сигнализации, часах, калькуляторах, аудиосистемах, игрушках, радио, пультах дистанционного управления и т. д. Принцип работы и устройство сходны, различия в химической природе электродов 3 Тип элемента СистемаУравнение токообразующей реакцииЭДС, В Свинцово — кадмиевыйPbO|HSO|CdCd+HSO+PbOCdSO+PbSO+2HO2,2 Марганцево — цинковыйMnO|NHCl|ZnZn+2NHCl+MnO[Zn(NH)]Cl+MnO1,5-1,8 Марганцево — магниевыйMnO|MgBr|MgMg+HO+2MnOMnO+Mg(OH)2,0 Серебряно — цинковыйAgO|KOH|ZnZn+2KOH+AgO2Ag+KZnO+HO1,85 Окисно — ртутныйHgO|KOH|ZnZn+2KOH+HgOHg+KZnO+HO1,34 Медно — окисныйCuO|NaOH|ZnZn+2NaOH+CuOCu+NaZnO+HO0,85

4 Сухой марганцево — цинковый элемент 4 (1) металлической колпачок (2) графитовый электрод («+») (3) цинковый стакан («») (4) оксид марганца (5) электролит (6) металлический контакт

Читайте также:  Тигридия посадка и уход фото

5 Литиевые элементы В современных условиях большое распространение получили литиевые химические источники тока Литиевый анод, органический электролит и катоды из различных материалов. Обладают очень большим сроком хранения, высокой плотностью энергии и сохраняют работоспособность в широком интервале температур ( от –25 до +85 °C), поскольку не содержат воды Так как литий имеет наивысший отрицательный потенциал по отношению к остальным металлам, следовательно, он имеет наибольшее номинальное напряжение при минимальных размерах 5

6 Аккумуляторы Устройства, в которых поэтапно происходит преобразование электрической энергии в химическую, а химической — в электрическую Агрегат многоразового действия, сочетающий в себе гальванический элемент и электролизёр Процесс накопления химической энергии под действием внешнего постоянного тока называют зарядкой аккумулятора ( работает как электролизёр ) Процесс превращения химической энергии в электрическую называют разрядкой аккумулятора ( работает как гальванический элемент ) 6

7 Некоторые типы аккумуляторов Тип аккумулятора СистемаУравнение токообразующей реакцииЭДС, В СвинцовыйPbO|HSO|PbPb+PbO+2HSO2PbSO+2HO2,10 Серебряно — цинковыйAgO|KOH|ZnZn+2KOH+AgO2Ag+KZnO+HO1,85 Серебряно — кадмиевыйAgO|KOH|Cd2Cd+2AgO+HO4Ag+CdO+Cd(OH)1,50 Никель — цинковыйNiOOH|KOH|ZnZn+NiOOH+2HO2Ni(OH)+Zn(OH)1,70 Железо — никелевыйNiOOH|KOH|FeFe+NiOOH+2HO2Ni(OH)+Fe(OH)1,40 Никель — кадмиевыйNiOOH|KOH|CdCd+NiOOH+2HO2Ni(OH)+Cd(OH)1,36 7

8 Топливные элементы В них энергия реакции горения топлива непосредственно превращается в электрическую энергию Окисление топлива происходит на поверхности индифферентных электродов ( графит, платина, серебро, никель и др.), содержащих катализатор В качестве топлива применяют водород, уголь, углеводороды, оксид углерода, метанол, гидразин N H и другие органические соединения Топливо является восстановителем Окислителем является кислород или воздух Были источником энергии на кораблях « Аполло » американской лунной программы 8

9 Водородно — кислородный топливный элемент Наиболее изучен Катод и анод изготовлены из пористого угля, на который нанесён катализатор – платина К катоду (+) подводится кислород ( или воздух ); он восстанавливается до гидроксид — ионов К аноду (-) подаётся водород ; он окисляется до воды Электролит – 30-40%- ныйраствор КОН ЭДС = 1,0-1,5 В 9

10 Электролиз Электролиз – это совокупность окислительно — восстановительных процессов, протекающих при прохождении электрического тока через электролит с погружёнными в него электродами Электролиз возможен только для растворов и расплавов электролитов, когда в системе присутствуют ионы Суммарный процесс противоположен по направлению процессу, протекающему в гальваническом элементе Анодом является (+) электрод, на нём протекает реакция окисления Катодом является (-) электрод, на нём протекает реакция восстановления Потенциал ( напряжение ) разложения – минимальное значение внешней разности потенциалов, при которой начинается электролиз данного соединения ( для каждого вещества это const) Для увеличения скорости электролиза к электродам прикладывают разность потенциалов, превышающую напряжение разложение Тип электродного процесса зависит от состава электролита, материала электродов температуры, напряжения, плотности тока и др. 10

11 Типы электролиза Электролиз с нерастворимым ( инертным ) анодом Нерастворимые аноды : золото, платина, графит, титан и др. Электролиз водных растворов HBr, CuCl Электролиз с химическим разложением электролита Электролиз с нерастворимым ( инертным ) анодом Нерастворимые аноды : золото, платина, графит, титан и др. Электролиз водных растворов КОН, NaSO Электролиз с химическим разложением растворителя Электролиз с растворимым анодом Растворимые аноды : медь, серебро, олово и др. Электролиз водных растворов CuSO с медными и AgNO с серебряными электродами соответственно Электролиз растворов солей металлов с растворимыми анодами, изготовленными из этих же металлов 11

12 Электролиз расплавов электролитов Протекает наиболее просто В расплавах электролитов существует по одному виду катионов и анионов, которые разряжаются на электродах Катионы движутся к катоду (-) и принимают от него электроны – восстанавливаются Анионы движутся к аноду (+) и отдают ему электроны – окисляются Примеры : электролиз расплавов хлоридов металлов, щелочей и др. 12

Читайте также:  Масло champion 10w 40 отзывы

13 Электролиз растворов электролитов Появляется ещё одно вещество – вода В электродных реакциях наряду с ионами растворённой соли участвуют молекулы воды, катионы водорода и гидроксид — ионы Из электродных процессов наиболее вероятен тот, осуществление которого связано с минимальной затратой энергии На катоде первым восстанавливается наиболее сильный окислитель На аноде первым окисляется наиболее сильный восстановитель 13

14 Возможные катодные процессы 14

15 Возможные анодные процессы 15

16 Практическое применение электролиза Электролизом раствора NaCl получают гидроксид натрия, хлор и водород Электролизом воды получают кислород и водород высокой чистоты Получают многие сильные окислители : гипохлорит натрия NaClO, хлорат натрия NaClO, хлорную кислоту HClO и её соли, пероксид водорода H O, перманганат калия KMnO, дихромат калия K CrO и др. В металлургии получают металлы ( золото, серебро, медь, никель, алюминий и др.) Электролиз с растворимым анодом используют при электролитическом рафинировании ( очистке ) черновых металлов ( меди, серебра, олова и др.); металл, подвергаемый очистке, является анодом Гальванопластика – получение изделий путём осаждения металла на модели Гальваностегия – нанесение металлических покрытий путём электролиза 16

17 Электролиз воды 17

18 Получение гипохлорита натрия 18

19 Электролитическое рафинирование меди 19 При электролизе медь осаждается на катоде, благородные металлы, не растворяясь, оседают на дно электролитической ванны в виде шлама, металлы, обладающие отрицательным электродным потенциалом, накапливаются в электролите, который периодически очищают

2. Химические источники тока

ХИТы – устройства, которые применяют для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. ХИТы применяются в различных областях техники. В средствах связи: радио, телефон, телеграф; в электроизмерительной аппаратуре; они служат источниками электропитания для автомобилей, самолетов, тракторов; применяются для приведения в действие стартеров и др.

Недостатки ХИТ:

1) стоимость веществ, необходимых для работы: Pb, Cd, – высока;

2) отношение количества энергии, которую может отдать элемент, к его массе, мало.

Преимущества ХИТ:

1) ХИТы делятся на две основные группы: обратимые (аккумуляторы), необратимые (гальванические элементы). Аккумуляторы можно использовать многократно, так как их работоспособность может быть восстановлена при пропускании тока в обратном направлении от внешнего источника, а в гальванических элементах допускают лишь однократное использование, поскольку один из электродов (Zn в элементе Даниэля – Якоби) необратимо расходуется;

2) применяются электролиты, поглощенные пористыми материалами, они имеют большее внутреннее сопротивление;

3) создание топливных элементов, при работе которых расходовались бы дешевые вещества с малой плотностью (природный газ, водород);

4) удобство в работе, надежность, высокие и стабильные напряжения.

Рассмотрим процесс технологии на основе свинцово-кислотного аккумулятора с намазными электродами.

Общая схема: (–) активное вещество | электролит | активное вещество (+).

Активным веществом отрицательного электрода служит восстановитель, отдающий электроны. При разряде отрицательный электрод является анодом, т. е. электродом, на котором протекают окислительные процессы. Активное вещество положительного электрода – окислитель. Активные вещества – окислитель и восстановитель – участвуют в электрохимической реакции.

Электрохимическая схема свинцово-кислотного аккумулятора

Активными веществами свинцового ак�

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector