- •Основы электрохимии
- •1. Механизм возникновения электрического потенциала.
- •2. Устройство и работа гальванического элемента
- •Ряд напряжение характеризует химические свойства металла:
- •3. Стандартный водородный электрод.
- •Основы электрохимии
- •2. Электрохимические цепи.
- •Основы электрохимии
- •2. Практическое применение электрохимических систем.
- •Электролиз
- •2. Электролиз растворов электролитов.
- •4. Практическое применение электролиза.
2. Практическое применение электрохимических систем.
Одним из наиболее перспективных является электрохимический способ преобразования химической энергии в электрическую, который осуществляется в ХИТах. К их достоинствам относится высокий КПД, бесшумность, безвредность, возможность использования в космосе, под водой, в переносных устройствах, на транспорте и т.д. к ХИТам относятся ГЭ, аккумуляторы и топливные элементы.
Гальванические первичные элементы (однократного действия)
Рассмотрим для примера работу сухого Mn – Zn элемента, широко применяемого для питания радиоаппаратуры, магнитофонов, карманных фонарей и др. анодом в элементе служит ZN электрод, катодом – электрод из смеси MnO2 с графитом, токоотводом служит графит (1). В качестве электролита используется паста, состоящая из раствора NH4Cl с добавкой муки или крахмала (загустителя) или бумага, пропитанная раствором электролита (2).
Аккумуляторы – ГЭ многоразового и обратимого действия. В аккумуляторах под воздействием внешнего источника накапливается химическая энергия – зарядка. Затем эта энергия переходит в электрическую при разрядке аккумулятора. При зарядке аккумулятор работает аккумулятор работает как электролизер, при разрядке – как ГЭ.
Свинцовый аккумулятор – наиболее простой вариант. Он состоит из двух перфорированных Pb пластин. В ячейки запрессовывается смесь PbO с глицерином. Пластины опускают в 25-30% раствор H2SO4. аккумуляторы соединяют в батарею, которая помещается в баки из эбонита или полипропилена. В результате взаимодействия PbO и H2SO4 в поле обоих электродов образуется PbSO4.
Зарядка: К(-):PbSO4 + 2е = Pb0 + SO42-
А(+):PbSO4 - 2е = PbO2 + SO42- + 4H+
――――――――――――――――――――
2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4
Разрядка: Е0 = 1,68 К(+):PbO2 + 2е + 4H+ + SO42- = PbSO4 + 2H2O
Е0 = -0,36 А(-): Pb - 2е + SO42-= PbSO4
――――――――――――――――――――
Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
Е = 1,68-(-0,36) = +2,04(В)
Используется в автомобилях, с/х и дорожных машинах, на электростанциях, телефонных станциях и др. Помимо свинцового, в практике находят применение Ni – Ca, Ni – Fe, Ag – Zn аккумуляторы.
Если Ox и Red хранятся вне элемента и в процессе работы подаются к электродам, которые не расходуются, то элемент может работать длительное время. Такие элементы называются топливными. В ТЭ химическая энергия восстановителя (топлива) и окислителя, непрерывно и раздельно подаваемых к электродам, превращается в электрическую энергию.
В качестве Red можно применять уголь, кокс, природные и искусственные горючие газы; в качестве Ox – О2 или воздух. Наиболее энергетически выгодный вид топлива – H2, H2:О2. ТЭ обычно изготавливаются с применением мелкопористых угольных или никелевых электродов, погруженных в щелочной электролита.
Схема: A(-) Ni , H2 | KOH (30-40%) | О2, Ni (+) K
A(-) 2H2 + 4OH- = 4H2O + 4e
K(+)О2 + 2H2O + 4e = 4OH-
2H2 + О2 = 2H2O
E0O2/H2 = 1.229 В( не зависит от состава раствора электролита)
Для эффективной работы ТЭ используют катализаторы, которые наносят на электрод. Для H2 электрода катализатором являются платиновые металлы, а для О2 электрода – смешанные катализаторы из Co и Al или Fe, Mn и Ag. ТЭ применяют в спутниках и космических кораблях, планируется применение ТЭ вместо двигателей внутреннего сгорания на транспорте и т.д.
Лекция 9