Раздел 4. Химические преобразователи электрической энергии

Тема 4.1. Гальванические элементы

4.1.1. Электрический ток в жидких проводниках

Преобразователи электрической энергии – это, в основном, химические источники электрической энергии, преобразующие энергию химических реакций в электрическую. К ним относятся гальванические элементы и аккумуляторы.

В жидких проводниках (электролитах) происходит процесс электролитической диссоциации, т. е. непрерывный самопроизвольный распад молекул на составные части. Например, при растворении медного купороса CuSO4 в воде, его молекулы распадаются на положительные ионы меди Cu и отрицательные ионы SO4 (кислотный остаток). В электролите происходит беспорядочное движение ионов и в целом такой раствор является электрически нейтральным, т. к. в нём содержится одинаковое количество положительно и отрицательно заряженных ионов. Однако если жидкий проводник, например раствор медного купороса, поместить в электрическое поле (рис. 61), созданное при помощи двух электродов (заряженных медных пластин), то на положительные и отрицательные ионы начнут действовать электрические силы.

- отрицательный ион (SO4)

+ положительный ион (Cu)

Рис.61. Схема прохождения электрического тока через электролит:

1 – электролит; 2 – анод; 3 – катод.

При этом положительные ионы меди Cu устремятся к отрицательному катоду, а отрицательно заряженные ионы кислотного остатка SO4 – к положительному аноду. Это упорядоченное движение ионов представляет собой электрический ток в жидких проводниках. Следовательно, ток в жидких проводниках существенно отличается от тока в металлах, т. к. вместо лёгких электронов здесь движутся в тысячи и десятки тысяч раз более тяжёлые положительные и отрицательные ионы.

4.1.2. Эдс в гальваническом элементе

Простейший медно-цинковый гальванический элемент Вольта состоит из двух пластин (электродов): цинковой (катода) и медной (анода), опущенных в электролит, представляющий собой водный раствор серной кислоты H2SO4 (рис. 62). При растворении серной кислоты в воде происходит процесс электролитической диссоциации, т. е. часть молекул кислоты распадается на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислотного остатка SO4ˉ. Одновременно происходит растворение цинкового электрода в серной кислоте, при этом положительные ионы цинка переходят в раствор и соединяются с отрицательными ионами SO4ˉ кислотного остатка, образуя нейтральные молекулы сернокислого цинка ZnSO4. При этом на цинковом электроде будут скапливаться оставшиеся свободные электроны, вследствие чего он приобретёт отрицательный заряд. В электролите же образуется положительный заряд и медный электрод, практически не растворяясь в электролите, приобретёт положительный заряд, т. е. тот же, что и электролит.

ЭДС, создаваемая гальваническим элементом, зависит от химических свойств электролита и материалов, из которых выполнены электроды. Обычно подбирают такие комбинации материалов, при которых ЭДС во всех применяемых элементах не превышает (1,1÷1,5) В. При подключении к электродам гальванического элемента какого-либо приёмника электроэнергии по внешней цепи начнёт протекать электрический ток от медного электрода (положительный полюс элемента) к цинковому (отрицательный полюс элемента). В электролите в это время начнётся движение положительных ионов цинка и водорода от медного электрода к цинковому. В результате с цинкового электрода (катода) в электролит снова начнут поступать положительные ионы цинка, поддерживая на нём отрицательный заряд; на медном же электроде (аноде) будут осаждаться новые положительные ионы. Т. о., между анодом и катодом всё время будет существовать разность потенциалов, необходимая для прохождения тока по электрической цепи.

Рассмотренный гальванический элемент Вольта не может длительно работать вследствие возникающего в нём вредного явления поляризации, сущность которого состоит в том, что положительные электроны водорода , направляющиеся к медному электроду, взаимодействуют с имеющимися на нём свободными электронами и превращаются в нейтральные атомы водорода.

Эти атомы покрывают поверхность медного электрода сплошным слоем, ухудшая работу гальванического элемента за счёт изоляции медного электрода от электролита и создания дополнительной ЭДС поляризации между слоем водорода и электролитом, направленной против основной ЭДС и уменьшающей её.

Рис. 62. Устройство медно-цинкового гальванического элемента.

. Для борьбы с поляризацией во всех гальванических элементах вокруг положительного электрода располагают специальные вещества – деполяризаторы, легко вступающие в химическую реакцию с водородом и поглощающие его.