2. Классификация химических источников тока (хит).

По принципу работы химические источники тока делятся на три группы:

- первичные элементы одноразового действия, называемые гальваническими элементами, или просто элементами. После израсходования запаса реагентов они теряют работоспособность;

- аккумуляторы или аккумуляторные батареи (АКБ) - элементы многоразового действия, перезаряжаемые, вторичные или обратимые. Их работоспособность после разряда может быть восстановлена путём пропускания постоянного электрического тока через источник в направлении, противоположном току разряда, при этом продукты разложения превращаются в первоначальные активные вещества;

- топливные элементы (ТЭ) – это химические источники тока, в которые непрерывно подводятся новые порции реагентов и одновременно удаляются продукты реакции. Они могут непрерывно разряжаться в течение длительного времени.

3. Электрохимические характеристики источников тока

• ЭДС (электродвижущая сила) – максимальная разность потенциалов между положительным и отрицательным электродом.

ЭДС=φ₍₊₎ – φ_(–),

где φ₍₊₎ и φ_(–) – равновесные потенциалы положительного и отрицательного электродов соответственно, В. ЭДС зависит от природы и концентрации электролита, от состава и природы активных масс, температуры.

• Разрядное напряжение. При подключении к гальваническому элементу внешней цепи через него протекает гальванический ток. Зависимость между ЭДС и током, протекающим в цепи, выражается формулой:

U_p = ЭДС – η₍₊₎ - η_(–) - J·R_ом,

где U_p – разрядное напряжение, В; η₍₊₎ , η_(–) – величина поляризации катода и анода, В; I·R_ом – падение напряжения в гальваническом элементе, R_ом – внутреннее сопротивление элемента.

• Ёмкость гальванического элемента Q – количество электричества, которое может отдать элемент при разряде. Q = I·t (А·ч), где I – сила тока, А; t – длительность разряда, час.

Номинальная ёмкость – ёмкость, которую должен отдать элемент в режиме разряда, указанном в технических условиях.

Остаточная ёмкость – ёмкость, которую отдаёт элемент после хранения. Ёмкость зависит от массы активных веществ, их природы, силы тока, температуры, продолжительности хранения, условий эксплуатации.

• Мощность – энергия, отдаваемая источником тока в единицу времени (Вт). N = I_ср·U_ср, где N – мощность, Вт; I_ср – средняя сила тока, А; U_ср – среднее напряжение при разряде, В.

• Удельная энергия: A_m = A/m = Q·U_ср/m, где A_m – удельная энергия, Вт·час/кг; A – энергия источника тока, Вт·час; m – масса источника, кг; U_ср - среднее напряжение, В.

• Удельная ёмкость Q_m = Q/m, где Q_m – удельная ёмкость, А·час/кг; Q – ёмкость, А·час; m – масса источника, кг.

Лекция 2. Первичные гальванические элементы

План

1. Гальванический элемент Вольта и Якоби-Даниэля.

2. «Сухой» элемент Лекланше. «Сухие» элементы новой конструкции.

3. Щелочные (алкалические) марганцовокислые и медноокислые элементы.

4. Ртутно-цинковые и серебряно-цинковые щелочные элементы.

1. Гальванический элемент Вольта и Якоби-Даниэля.

Гальванические элементы как источники электрического тока нашли широкое применение в технике.

Первый гальванический элемент получен в 1799 г физиком А. Вольта. Этот элемент состоит из двух пластин – цинковой и медной, погруженных в разбавленный раствор серной кислоты. Работает он непродолжительное время, так как на медной пластине выделялся газообразный водород, затрудняющий переход электронов к окислителю, а это приводит к быстрому уменьшению разности потенциалов гальванического элемента.

Изменение потенциалов электродов при работе гальванических элементов называется гальванической поляризацией. Для уменьшения гальванической поляризации применяются вещества, увеличивающие скорость катодных процессов. Эти вещества называются деполяризаторами. К ним относятся окислители MnO₂, O₂, K₂Cr₂O₇ и ионы Cu²⁺. В медно-цинковом элементе деполяризатором служит раствор СuSO₄. Уменьшение поляризации гальванического элемента называют деполяризацией.

Примером простейшей электрохимической системы, в которой электрический ток получают за счёт окислительно-восстановительных реакций, служит медно-цинковый элемент Якоби – Даниэля. Он состоит из медной пластины, погружённой в раствор CuSO₄, и цинковой пластины, погруженной в раствор ZnSO₄. Электроды отделены друг от друга пористой перегородкой. На поверхности цинковой пластины возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие: Zn ↔ Zn²⁺ + 2e^–. В результате этого процесса возникает электродный потенциал цинка. На поверхности медной пластины также возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие: Cu ↔ Cu²⁺ + 2e^–. Возникает электродный потенциал меди. Цинковый электрод заряжается отрицательно, а медный – положительно.

При соединении меди с цинком металлическим проводником электроны будут переходить от цинка к меди. Схема элемента Якоби – Даниэля записывается так:

Анод (-) Zn / ZnSO₄ // CuSO₄ / Cu (+) Катод

Токообразующая реакция – то есть суммарная химическая реакция в гальваническом элементе – выглядит следующим образом: Zn + Cu²⁺ = Cu + Zn²⁺.

Таким образом, на цинковой пластине идёт процесс окисления: Zn – 2e^- = Zn²⁺, а на медной – восстановление: Cu²⁺ + 2e^- = Cu.

Таким образом гальванические элементы служат для превращения химической энергии в электрическую.

Процессы окисления в электрохимии получили название анодных процессов, а электроды, на которых идут процессы окисления, называются анодами. Процессы восстановления в электрохимии получили название катодных процессов, а электроды, на которых идут процессы восстановления, называются катодами. Движение ионов в растворе – анионов SO₄^2- к аноду, а катионов Zn²⁺, Cu²⁺ к катоду – замыкает электрическую цепь первичного элемента.