Гальванические первичные элементы

Примером такого элемента служит элемент Даниэля — Якоби. Окислитель и восстановитель входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуется в процессе его работы. После расхода реагентов элемент не может больше работать. Таким образом, это источник тока одноразового действия непрерывного или с перерывами , поэтому его еще называют первичным химическим источником тока. Гальванический элемент характеризует ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь, а также сохраняемостью.

ЭДС элемента определяется термодинамическими функциями протекающих в нем процессов, напряжения элемента и меньше ЭДС из-за поляризации электродов и омических потерь:

где — ЭДС элемента;— ток;— сопротивление проводников первого и второго рода внутри эл-та;— поляризация эл-та, равная сумме анодной и катодной поляризаций.

По мере работы элемента уменьшается концентрация исходных реагентов и увеличивается концентрация продуктов реакции, поэтому в соответствии с уравнением Нернста ЭДС эл-та уменьшается.

Кроме того, возрастает поляризация элемента. Поэтому при разряде элемента напряжение его постепенно снижается. Кривая изменения напряжения во времени в процессе разряда называется разрядной кривой элемента. Чем меньше меняется напряжение при разряде элемента, тем больше возможностей его применения.

Емкость элемента — это количество электричества, которое источник тока отдает при разряде. Она определяется массой запасенных в элементе реагентов и степенью их превращения. Энергия элемента равна произведению его емкости на напряжения. Она возрастает с увеличением количества вещества реагентов и с увеличением температуры.

Сохраняемостью называется срок хранения элементов, в течение которого его характеристики остаются в заданных приделах. Ухудшение характеристик элементов вызывается коррозией электрода и другими побочными реакциями. С увеличение температуры сохраняемость элементов уменьшается.

Наиболее массовым является производство марганцово-цинковых элементов, широко применяемых для питания радиоаппаратуры, магнитофонов, карманных фонарей и т.д. Анодом в элементе служит цинковый электрод, катодом - электрод из смеси оксида марганца с графитом, токоотводом - графит. В качестве электролита используется паста NH₄Cl + крахмал. Схема элемента:

Суммарное уравнение гальванического элемента:

Такие элементы достаточно дешевы, но имеют низкие характеристики. В настоящее время ведутся разработки новых конструкций гальванических элементов и достаточно успешно.

Аккумуляторы

Это устройства, в которых электрическая энергия превращается в химическую, а химическая - снова в электрическую. В аккумуляторах под действием внешнего источника тока накапливается (аккумулируется) химическая энергия, которая затем переходит в электрическую. Процесс накопления химической энергии называют зарядом аккумулятора, процесс превращения химической энергии в электрическую — разрядом аккумулятора. При заряде аккумулятор работает как электролизер, при разряде - как гальванический элемент. Процессы заряда аккумулятора осуществляется многократно.

Аккумулятор в наиболее простом виде имеет 2 электрода (анод и катод) ионный проводник между ними. На катоде как при разряде, так и при заряде протекают реакции окисления, на катоде - реакции восстановления.

В настоящее время наиболее распространены свинцовые аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется раствор Н₂SO₄. Электролиты свинцового аккумулятора обычно представляют свинцовые решетки, опущенные в 32-39%-ный раствор серной кислоты, в результате чего они покрываются пленкой нерастворимого сульфата свинца(II) (PbSO₄).

Суммарная реакция в аккумуляторе:

ЭДС аккумулятора может быть рассчитана по уравнению:

Свинцовый аккумулятор обладает существенными достоинствами: высоким КПД (около 80%), высокой ЭДС и оптимально малым ее изменением при разряде, простотой и невысокой ценой. Недостатки: небольшая удельная энергия, саморазряд аккумулятора при хранении и малый срок службы (2-5 лет).

Свинцовые аккумуляторы должны быть герметичными из-за токсичности свинца.

Промышленность выпускает также щелочные аккумуляторы, например, никель-кадмиевые и никель- железные. Положительный электрод содержит гидроксид никеля, отрицательный электрод - соответственно кадмий или железо. Ионным проводником служит 20-23%-ный раствор КОН. Суммарная реакции:

Достоинства: большой срок службы (10 лет), высокая механическая прочность. Недостатки: невысокий КПД и напряжение.