Коновалова Е.А., Чигинцев С.М.

Практическое занятие по теме: «Химические источники тока»

Цель методических указаний: помочь студентам, изучающих курс общей химии, с единых позиций рассмотреть общие принципы работы некоторых современных химических источников тока (ХИТ); разобраться с механизмом возникновения в них электрического тока и сущностью химических реакций, лежащих в основе их работы.

Основные термины, понятия и определения

ХИТ широко используются как автономные источники энергии в разнообразных областях: радиоэлектронной аппаратуре, на транспорте, космических объектах, быту и т.д. В будущем ожидается существенное повышение их роли – например, в области транспорта (электропитание автомобилей, тракторов, комбайнов).

ХИТ – это устройство, в котором энергия химической реакции непосредственно переходит в электрическую. Любой химический источник тока конструктивно представляет собой систему, состоящую из двух электродов, соединённых между собой химически активным проводником.

Электродом называют электронные проводники, контактирующие с электролитом. Обычно электроды – это металлические пластины или сетки, на которые нанесены реагенты – активные вещества, непосредственно участвующие в токообразующей реакции (лежащей в основе работы ХИТ). На один электрод нанесён окислитель, на другой – восстановитель. Термином электролит обозначается твердая (загущенная) или жидкая фаза с ионной проводимостью (например, расплав, раствор или гель соли, кислоты, щелочи). На границе раздела твёрдой и жидкой фаз протекает электрохимическая окислительно-восстановительная реакция. Электрод, на который нанесён окислитель, имеет больший электродный потенциал _к и называется катодом. На нём протекает процесс восстановления (приём электронов). Электрод, на который нанесён восстановитель, имеет меньший электродный потенциал _а и называется анодом; на нём протекает процесс окисления (отдачи электронов).

При погружении электродов в электролит между ними устанавливается определённая разность потенциалов, называемая напряжением разомкнутой цепи (НРЦ). Если соединить оба электрода между собой внешним проводником, то через него начнётся переток электронов от электрода с меньшим значением электродного потенциала (анода) к электроду с большим значением электродного потенциала (катоду). Возникает электрический ток.

На погружённых в электролит поверхностях электродов одновременно начинают протекать две электрохимические (электродные) реакции: на аноде процесс окисления, на катоде – процесс восстановления. Обе реакции являются сопряжёнными, то есть их скорости всегда равны. Это означает, что количество электронов, отдаваемых анодом в единицу времени, равно количеству электронов, принимаемых за то же время катодом. Причём принимать электроны может как сам катод, так и электролит. Это зависит от величин их электродных потенциалов.

Совокупность активных веществ, на основе которых создан ХИТ, называют электрохимической системой. Условно электрохимическую систему записывают так:

Анод (–) восстановитель / электролит / окислитель (+) Катод

Следует иметь ввиду, что в ХИТ анод принимают за отрицательный электрод, так как на нём скапливается избыток электронов ввиду выхода положительных ионов из кристаллической решётки в раствор при соприкосновении электрода с электролитом. Электроны по внешнему проводнику начинают перетекать к электроду с большим электродным потенциалом – катоду. Таким образом, понятия «анод» и «катод» в случае ХИТ надо связывать не с полярностью электродов, а с процессами окисления и восстановления, протекающими на них.

Основной характеристикой ХИТ является его ЭДС – электродвижущая сила:

ЭДС = Е = _к – _а

Электродные потенциалы катода и анода зависят в основном от концентрации раствора электролита и материала электрода, и находятся по уравнению Нернста (см выше тему «Гальванические элементы»).

ХИТ можно разделить на три группы:

• Первичные элементы одноразового действия, называемые гальваническими элементами или просто элементами. После израсходования запаса реагентов они теряют работоспособность.

• Аккумуляторы – элементы многоразового действия, перезаряжаемые, вторичные или обратимые.

• Топливные элементы (ТЭ) – это ХИТ, в которые непрерывно подводятся новые порции реагентов и одновременно удаляются продукты реакции. Поэтому они могут непрерывно разряжаться в течение длительного времени.

Существуют также две промежуточные группы гальванических элементов: комбинированные (в которые заложен запас только одного из реагентов, второй непрерывно подаётся извне), и возобновляемые (в которых предусмотрена замена израсходованных элементов на новые порции).

В предлагаемых методических указаниях рассматриваются только первые три типа элементов.