Вопросы и задания к разделу «Первичные элементы»

1. Назначение ХИТ.

2. Принципиальное конструктивное устройство ХИТ.

3. Тип реакции, лежащей в основе ХИТ.

4. Какой из электродов гальванического элемента является поставщиком электронов в цепь? Какой процесс протекает на нём? Какой электрод принимает электроны?

5. Составить условную запись (схему) «сухого» гальванического элемента с марганцевым и магниевым электродами. Кислотность электролита рН=5,0. Записать процессы, протекающие на электродах этого источника тока, определить полярность, направление тока в цепи, рассчитать ЭДС.

Аккумуляторы

Аккумуляторы – это химические источники тока многоразового действия; вторичные, или обратимые элементы. Аккумуляторы после разряда допускают повторный заряд путём пропускания тока от внешней цепи в обратном направлении; при этом из продуктов реакции регенерируются исходные реагенты.

Таким образом, при заряде аккумулятора в нём накапливается химическая энергия (в виде электрической энергии) от внешнего источника. При разряде она возвращается потребителю.

а) б)

Рис. 1. Направление тока при разрядке (а) и при зарядке (б) аккумуляторов.

К – катод, А – анод.

Аккумуляторы в зависимости от электролита можно разделить на щелочные и кислотные. Из щелочных наиболее распространёнными являются серебряно-цинковые, никель-кадмиевые и никель-железные; из кислотных – свинцовые.

Щелочные аккумуляторы

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие при работе серебряно-цинкового элемента. Здесь электроды представляют из себя металлические сетки, на одну из которых нанесена окись серебра, на вторую – цинк. Электролитом служит раствор КОН.

Процесс разрядки

Отрицательным электродом будет сетка с нанесённым цинком, положительным – сетка с оксидом серебра. Схема данного элемента следующая: A (–) Zn / KOH / Ag₂O (+) K.

Процессы на электродах: на аноде Zn + 2OH^– – 2e = ZnO + H₂O (процесс окисления), на катоде Ag₂O + H₂O + 2e = 2Ag + 2 OH^– (процесс восстановления).

Суммарную (токообразующую) реакцию можно выразить уравнением: Ag₂O + Zn = ZnO + 2Ag. В ХИТ суммарная реакция протекает в виде двух пространственно разделённых полуреакций – анодной и катодной.

Электродные реакции поддерживают продолжительный переток электронов во внешней цепи. Ионы ОН^– , образующиеся в результате катодной реакции вблизи положительного электрода, переходят по электролиту к отрицательному электроду, где вступают в анодную реакцию. Таким образом, получается замкнутая электрическая цепь – электрический ток идёт с анода на катод. Во всех её звеньях течёт один и тот же электрический ток, заряды нигде не накапливаются. Как только внешняя цепь размыкается, протекание обоих электродных реакций прекращается. Ток прекращается также после израсходования запаса хотя бы одного из реагентов.

Рис. 2. Схема

серебряно-цинкового

аккумулятора со

щелочным электролитом

Электрический ток образуется вследствие того, что прямой хаотический электронный перенос между реагентами заменён пространственно организованным процессом: от частиц восстановителя электроны поступают сначала на отрицательный электрод, затем через внешнюю цепь на положительный и только оттуда на частицы окислителя.

Таким образом, протекание окислительно-восстановительных реакций по электрохимическому механизму с возникновением электрического тока возможно благодаря двум конструкционным особенностям ХИТ:

1. реагенты (окислитель и восстановитель) пространственно разделены, что приводит к пространственному разделению и электродных реакций;

2. каждый из реагентов контактирует с электролитом, что позволяет протекать электродным реакциям и одновременно обеспечивает замкнутость общей цепи, необходимую для беспрепятственного прохождению тока.

Так как серебряно-цинковый элемент является аккумулятором, после разрядки он может быть заряжен пропусканием постоянного электрического тока в обратном направлении. При этом электродные реакции, а также суммарная реакция протекает в обратном направлении.

Процесс зарядки

Так как процесс пропускания постоянного электрического тока через раствор называется электролизом,, поэтому схема процесса может быть записана по схеме записи электролиза.

Отрицательным полюсом здесь уже является катод – на нём протекает процесс восстановления (приёма электронов). К отрицательному полюсу внешнего источника тока присоединяется электрод, на котором образовался оксид цинка; к положительному полюсу – электрод, на котором выделилось серебро, он называется анодом – на нём протекает процесс окисления (отдачи электронов). Схема записи:

K (–) ZnO / KOH / Ag (+) A

Пользуясь приложением, запишем и сравним потенциалы участвующих в процессе веществ. Для катода:  _(ZnO/Zn) = 1.254 B,  _(2H+/H2) = 0.828 B,  _(K+/K) = – 2,92 В, для анода _{(ОН–/О2)}= 0,401 В,  _(Ag/Ag2O) = 0,345 В. Так как  _(ZnO/Zn)   _(2H+/H2)   _(K+/K) , поэтому процесс восстановления: ZnO + H₂O + 2e = Zn + 2 OH^–. Так как  _(Ag/Ag2O)   _{(ОН–/О2)}, процесс окисления: 2 Ag + 2 OH^– – 2e = Ag₂O + H₂O. Суммарная реакция электролиза (зарядки) выглядит как ZnO + 2 Ag = Ag₂O + Zn.

Другие щелочные аккумуляторы – никель-кадмиевые(НК) и никель-железные (НЖ) – имеют много общего в конструкциях и характеристиках, хотя по отдельным показателям они несколько отличаются. Электродами здесь служат: для НК – кадмий и гидроксид никеля (III), для НЖ – железо и гидроксид никеля (III). Электролитом является раствор КОН. Кратко основные процессы, происходящие при разрядке, например, НЖ, выглядят так:

На катоде: Ni(OH)₃ + e = Ni(OH)₂ + OH^–; на аноде: Fe + 2OH^– – 2e = Fe(OH)₂.

Суммарная реакция: 2Ni(OH)₃ + Fe = 2Ni(OH)₂ + Fe(OH)₂.

Нужно учесть, что в щелочных аккумуляторах электролит не расходуется в токообразующей реакции. Его плотность (то есть содержание КОН) тем не менее колеблется с течением времени, в основном в результате взаимодействия с кислотными оксидами атмосферы.

Пример. Определить ЭДС серебряно-магниевого аккумулятора. Записать процессы, протекающие на его электродах.

По таблице 2 Приложения найдём электродные потенциалы:  _(Mg2+/Mg) = – 2,3 В, а _(Ag/Ag2O) = 0,345 В. Электрод с меньшим потенциалом является анодом, электрод с большим потенциалом – катодом. Схема гальванического элемента: А (–) Mg / KOH / Ag₂O (+) К. Для записи электродных процессов также можно воспользоваться табл. 2:

на аноде: Mg + 2 OH^– – 2e = MgO + H₂O; на катоде: Ag₂O + H₂O+2e=2Ag + 2ОН^–.

Для расчёта ЭДС сначала по уравнению Нернста рассчитаем электродные потенциалы с учётом концентрации электролита КОН (обычно она составляет 7 моль/л). Итак,

 _(Mg²⁺_/Mg) = – 2,3 + (0,059/2)lg 7 = – 2,34 В; _(Ag/Ag2O) = 0,345 + 0,059 lg 7 = 0,395 В.

Тогда ЭДС Е= 0,395 – ( – 2,34) = 2,735 В.