Лекция 11. Химические источники тока

Электрохимия – естественнонаучная дисциплина, которая изучает физико-химические свойства ионных растворов и расплавов, а также явления, которые протекают на границе раздела фаз с участием заряженных частиц.

Химические источники тока (ХИТ) – это устройства, в которых энергия химической реакции преобразуется в электрическую. В гальванических элементах могут использоваться только те реакции, которые идут самопроизвольно и для ΔG < 0.

При погружении цинковой пластинки в раствор сульфата меди самопроизвольно протекает реакция

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu

в результате, которой атомы цинка окисляются, а ионы меди восстанавливаются. При таком проведении процесса энергия химической реакции превращается в тепловую энергию, но если провести процессы окисления и восстановления раздельно и осуществить передачу электронов через внешнюю цепь, можно использовать энергию химической реакции для совершения работы. Активные вещества (окислители и восстановители) в совокупности с электролитом и электродами образуют электрохимическую систему (гальванический элемент (ГЭ)), которая условно изображается следующим образом:

(–) вещество (1) ! электролит (1) !! электролит (2) ! вещество (2) (+).

Электрохимическая реакция протекает на границе раздела фаз между электродом и электролитом.

Одним из наиболее простых ГЭ является элемент Даниэля–Якоби, состоящий из двух электродов – цинкового и медного, погруженных в соответствующие растворы сульфатов цинка и меди. Вся совокупность этих процессов выражается уравнением полуреакции:

Zn – 2е– = Zn²⁺ Е₀ = –(–0,76) В

Cu²⁺ + 2e– = Cu Е₀ = +0,34 В.

Общий процесс является суммой процессов, протекающих на отдельных электродах:

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu.

Схематическое изображение элемента Даниэля–Якоби имеет вид

(–) Cu Zn ! ZnSO₄ !! CuSO₄ ! Cu (+).

Электрический ток, протекающий по внешней цепи ГЭ, может производить полезную работу (А), которая определяется произведением количества прошедшего по цепи электричества (Q = It, где I – ток; t – время) на напряжение (V), измеренное на концах гальванического элемента:

A = I t V.

Максимальное значение напряжения ГЭ, соответствующее обратимому протеканию реакции, называется электродвижущей силой (эдс – ΔЕ), которая для элемента Даниэля–Якоби равна

ΔЕ = 0,34 – (–0,76) = 1,1 В.

Между эдс (ΔЕ) гальванического элемента и энергией Гиббса химической реакции имеется простая связь, которая выражается уравнением

–ΔG = nFΔЕ.

Компонентами сухого марганцово-цинкового элемента являются твердые вещества или влажные пасты, помещенные в плотно закрывающую их оболочку. Роль анода играет цинковая оболочка самого элемента. Вокруг угольного стержня, являющегося катодом, расположена паста, состоящая из MnO₂, NH₄Cl и H₂O. На аноде происходит окисление цинка до Zn²⁺, а на катоде – восстановление MO₂ до Mn³⁺, который образует смесь нескольких соединений. Схематическое изображение марганцево-цинкового элемента следующее:

(–)Zn NH₄Cl, H₂O MnO₂(+);

анод: Zn – 2e– = Zn²⁺ Е₀ = –(–0,76) В

катод: 2MnO₂ + 8NH₄⁺ + 2e– = 2Mn³⁺ + 4H₂O + 8NH₃ Е₀ = +1,25 В,

ΔЕ = +0,76 + 1,25 = 2,01 В.

ГЭ могут обладать свойством обратимости: это означает, что если к элементу приложить внешнее напряжение, которое превышает собственное напряжение элемента, то протекающие в нем реакции могут пойти в обратном направлении, и таким образом удается запасти в элементе электрическую энергию. ГЭ, работоспособность которых после разряда может быть восстановлена путем заряда, называются аккумуляторами. Обратимым является элемент Даниэля–Якоби. Для того чтобы элемент можно было перезарядить, электродные продукты должны оставаться вблизи электродов и допускать обратное превращение при зарядке элемента.

Примером такого элемента является свинцовый аккумулятор, который схематически изображается следующим образом: (–)Pb !H₂SO₄ !! PbO₂(+) В качестве анода в нем используется пластина из пористого свинца, который окисляется в сульфат свинца, Аналогично при восстановлении на катоде оксида свинца в сульфат свинца продукт восстановления остается на месте.

анод: Pb – 2e– = Pb²⁺ Е₀ = –(–0,13) В;

катод: PbO₂ + 2e– + 4H⁺ + SO₄^2- = PbSO₄ + 2H₂O Е₀ = +1,69 В;

ΔЕ = 1,69 – (–0,13) = 1,82 В.

Если последовательно соединить несколько таких элементов, получатся аккумуляторные батареи, дающие напряжение 6 или 12 В.

После того как произойдет разрядка свинцового аккумулятора, его можно перезарядить, в результате чего сульфат свинца превращается в свинец и оксид свинца.

Топливные ХИТ в своей работе преобразуют химическую энергию реакции горения какого-то вещества в кислороде в электрическую, например

2H₂ +O₂ = 2H₂O.

Газообразный кислород и водород пропускается у соответствующих электродов, а в качестве электролита используется раствор гидроксида калия.