§ 9.2. Акумулятори. Паливні елементи
Акумулятори – це хімічні джерела струму багаторазової дії, їх можна регенерувати, пропускаючи через них постійний електричний струм.
Свинцеві акумулятори (кислотні) виготовляють із свинцевих пластин, на які нанесений плюмбуму оксид (PbО).
Коли акумулятор заливають сірчаною кислотою, відбувається реакція:
PbО + H2SO4 → PbSO4 + H2O.
Далі акумулятор заряджають від зовнішнього джерела постійного струму.
З
арядка
(електроліз)
A
+:
Pb2+SO4
- 2ē + 2H2O
→ Pb4+O2
+ SO4
+
4H+
(на
А+
окиснення)
+
К
:
Pb2+SO4
+ 2ē → Pb0
+ SO4
(на К
відновлення)
2PbSO4
+ 2H2O
→Рb+
PbО2
+ 2H2SO4.
Заряджений акумулятор можна відразу використати за призначенням. При зберіганні з акумулятора треба вилити електроліт, промити водою і зберігати до двох років. Для подальшого використання треба залити електроліт.
Розрядка. При розрядці анод і катод міняються місцями.
Відбуваються такі реакції:
А
:
Pb0
+ SO4
-
2ē → Pb+2
SO4
1
К
+
: Pb+4О2
+ 2ē + SO4
+
4H+
→ Pb+2
SO4
+ 2Н2О
1
Pb + 2H2SO4 + PbО2 → 2PbSO4 + 2H2O
ЕРС=2,1 В.
Для промивання акумулятора готують розчин, у якому на 1 л 5% NH4OH беруть 75 мл 2% трилону Б.
Переваги свинцевого акумулятора:
1) велика електрична ємність;
2) стійкість у роботі;
3) велика кількість циклів зарядки-розрядки.
Недоліки:
1) велика маса;
2) виділення водню при зарядці;
3) негерметичність за наявності концентрованого розчину сірчаної кислоти.
Кадмієво-нікелеві акумулятори (лужні)
В основі їх роботи є хімічна реакція:
ЕРС = 1,4 В.
В акумулятор заливають лужний електроліт, що готують таким чином: на 0,5 л води беруть 130 г КОНі 10 гLiOH.
При зарядці йдуть такі процеси:
A
+
:2Ni+2(OH)2
+ 2OH
- 2ē → 2Ni+3OOH + 2H2O1
К
: Cd+2(OH)2
+ 2ē → Cd0
+ 2OH
1
Cd+2(OH)2
+ 2Ni+2(OH)2
Cd0
+ 2Ni+3OOH
+2H2O
При розрядці:
А
: Cd0
- 2ē + 2OH
→ Cd(OH)2
K+
: 2Ni+3OOH
+ 2H2O
+ 2ē → 2Ni(OH)2+
2OH
Cd +
2NiOOH + 2H2O
Cd(OH)2
+ 2Ni(OH)2
Залізо-нікелеві акумулятори
У них негативний електрод складається з порошкоподібного заліза, спресованого з невеликою кількістю спеціальних добавок (гідраргирума оксиду й ін.), а позитивний електрод – з нікеля (Ш)гідроксиду , у який для підвищення електропровідності додають чистий графіт. Електролітом служить 23% розчин їдкого калі (ρ = 1,21г/см3).
Розрядка:
А
:
Fe
- 2ē → Fе2+
1
K+
: Ni(OH)3
+ ē → Ni(OH)2
+ OH
2
Fe
+ 2Ni(OH)3
2Ni(OH)2
+ Fe(OH)2
ЕРС = 1,35 (В).
При зарядці йде зворотний процес.
В принципі, електричну енергію може дати будь-яка ОВР. Однак кількість реакцій, практично використованих у хімічних джерелах електричного струму, невелике. Це зв'язано з тим, що не всяка ОВР дозволяє створити гальванічний елемент, що має технічно коштовні властивості (висока і постійна ЕРС, тривала збереженість та ін.), крім того, багато ОВР вимагають витрати дорогих речовин. У сучасних ГЕ (це пристрій однократної дії) і акумуляторах (пристрій багаторазової дії) використовують не два, а один електроліт. Як анод найчастіше використовують цинк, а як катод – оксиди менш активних металів. Усі хімічні джерела струму мають два істотних недоліки:
1) високу вартість речовин (свинець, кадмій), з яких їх виготовляють;
2) мале співвідношення кількості енергії, що дає елемент до його маси.
Працюючи над цією проблемою, прийшли до створення паливних елементів.
Паливні елементи.У них як паливо використовують вугілля, кокс, природні і штучні пальні гази , а як окисник – О2, повітря. Прикладом може служити лужний воднево-кисневий елемент. Його електроди виготовляють з порожніх, пористих трубок, на які наносять каталізатори. На водневий електрод – платину; на кисневий електрод – сплави Co+Al чи Fe+Mn+Ag. По трубках пропускають струм водню і кисню. Роботу такого елемента можна описати такими рівняннями:
А
:
2H2
+ 4OH
- 4ē → 4H2O EA=
-0,83 B
+
К+
:
O2
+ 2H2O
+ 4ē → 4OH
EK=
0,4 B
O
2
+ 2H2O
+ 2H2
+ 4OH
→ 4OH
+ 4H2O
O2 + 2 H2 → 2H2O
ΔG = -574 кДж.
ЕРС=ЕК-ЕА=0,4+0,83=1,23 В.
Такі паливні елементи використовуються в супутниках, космічних кораблях, військовій техніці.
Питання для самоконтролю
1.Які пристрої відносять до гальванічних елементів (ГЕ)?
2.Чому і як працює ГЕ Даніеля-Якобі?
3.Де застосовують ГЕ? Перспективи розвитку?
3.1. З чого складаються кислотні акумулятори?
3.2. Принцип дії лужних акумуляторів?
3.3. Які реакції використовують у паливних елементах?
Р о з д і л 10
КОРОЗІЯ МЕТАЛІВ І ЗАХИСТ МЕТАЛІВ ВІД КОРОЗІЇ