Заняття № 14

Тема: Хімічні джерела електричного струму (2 год.)

План.

1. Гальванічні елементи.

2. Паливні елементи.

3. Акумулятори.

1. Гальванічні елементи. Гальванічний елемент являє собою прилад, який складається з двох електродів, в якому енергія хімічних реакцій перетворюється в електричну (є джерелом постійного електричного струму).

Розглянемо приклад гальванічного елемента, який складається зі стандартних цинкового та нікелевого електродів (цинкова та нікелева пластини занурені в 1М розчини ZnSO₄ та NiSO₄). Схему елемента можна записати так:

Zn|1MZnSO₄||1MNiSO₄|Ni

Значення стандартних електродних потенціалів цинка і нікеля складають:

E°(Zn²⁺|Zn)= - 0,76B E°(Ni²⁺|Ni)= - 0,25B

Значення E° вказують на те, що цинк легший за нікель віддає електрони (окиснюється).

При замиканні електрохімічного ланцюга почнуть проходити наступні процеси: на електроді з більш негативним потенціалом (цинковому) – окиснення металу, на електроді з більш позитивним потенціалом (нікелевим) – відновлення іонів металу:

Zn-2e^-=Zn²⁺; Ni²⁺+2e^-=Ni

Сумарну реакцію в цьому гальванічному елементі скорочено можна записати так:

Zn+Ni²⁺=Zn²⁺+Ni

При окисненні цинку іони цинку переходять в розчин, а електрони залишаються в металі. По провіднику, який з'єднує метали, ці електрони переходять на нікель та витрачаються в реакції відновлення іонів нікелю. Такі процеси проходять до тих пір, доки весь цинк не розчиниться чи не витратяться частинки, які можуть відновлюватися на нікелі. Таким чином, при роботі гальванічного елемента по металічному провіднику, який поєднує два електроди, проходить направлений рух електронів (проходить електричний струм).

Основною характеристикою гальванічного елемента є його електрорушійна сила, яка являє собою різницю електродних потенціалів в початковий момент роботи елемента (вд більш позитивного електродного потенціалу віднімається більш негативний потенціал). В нашому прикладі отримуємо

E=E°(Ni²⁺|Ni)-E°(Zn²⁺|Zn),

E=[-0,25-(-0,76)] B=0,51B

При послідовному з'єднанні гальванічних елементів можна отримати батарею з необхідною електрорушійною силою.

Розповсюдженим гальванічним елементом є елемент Даніеля – Якобі, який складається з стандартних цинкового та мідного електродів:

Zn|1MZnSO₄||1MCuSO₄|Cu

При записі схем гальванічних елементів звичайно зліва записують електрод з більш негативним значенням потенціалу, а праворуч – з більш позитивним. Якщо до складу електрохімічного ланцюга входить водневий електрод його записують спочатку.

2. Паливні елементи. Різновидом гальванічних елементів є паливні елементи. В цих елементах електрична енергія утворюється за рахунок реакції окиснення палива (наприклад, водню). Окисник та відновник (паливо) безперервно подаються в систему ззовні.

Широке розповсюдження отримали воднево-кислотні паливні елементи. В цих елементах використовуються нікелеві електроди, занурені у розчин гідроксиду калію. До електродів постійно подають газоподібні водень та кисень. Схема такого елемента записується так:

Ni|H₂|KOH|O₂|Ni

При роботі елемента водень окиснюється, а кисень відновлюється за участі молекул води з утворенням гідроксид-іонів:

H₂ – 2e^-=2H⁺; O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-

Сумарний процес, який протікає при роботі паливного елемента,

2H₂+O₂+2H₂O=4H⁺ +4OH^- або 2H₂+O₂=2H₂O

являє собою реакцію горіння водню.

Паливні елементи мають високу ефективність, однак великим недоліком їх є незручність транспортування та зберігання палива (особливо водню). Незважаючи на це, паливні елементи знайшли широке використання.

3. Акумулятори. Як джерела постійного струму ефективні та зручні у використанні акумулятори – гальванічні елементи багаторазового використання.

Розглянемо роботу таких джерел струму на прикладі свинцевого акумулятора. Він складається з зануреного у сульфатну кислоту свинцевого електрода, який вкрито шаром оксиду плюмбуму (ІV) PbO₂ (окисником). При роботі акумулятора на електроді без покриття проходить реакція окиснення:

Pb⁰ +SO₄^2- - 2e^-=PbSO₄

На електроді вкритому окисником, проходить процес відновлення:

PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2e^- = PbSO₄ + 2H₂O

Сумарна реакція запишеться так:

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O

Пропускаючи електричний струм через відпрацьований (розряджений) акумулятор, можна знову його повністю регенерувати (зарядити). Процес зарядки складається з наступних реакцій:

PbSO₄ + 2e^- = Pb⁰ + SO₄^2-

PbSO₄ + 2H₂O - 2e^- = PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2-

2PbSO₄ + 2H₂O = Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄

В результаті процесу зарядки акумулятора сульфат плюмбуму (ІІ) видаляється з електродів, та вони приймають вихідну форму.