Топливные элементы

Топливный элемент — это гальванический элемент, в котором химическая энергия непрерывно подаваемых взаимодействующих реагентов превращается в электрическую энергию. Электроды в этом процессе не расходуются, и элемент может работать длительное время. В топливных элементах используют жидкие или газообразные восстановители (водород, метанол, метан) и окислители, обычно кислород воздуха.

В таком элементе происходит превращение химической энергии реакции окисления водорода

в электрическую. К аноду подводится восстановитель (Н₂), к катоду- окислитель (О₂) .

Схема кислородно-водородного ТЭ может быть записана в виде

где — проводникI рода, играющий роль катализатора электродного процесса и токоотвода. На аноде элемента проиекает реакция окисления водорода:

На катоде восстанавливается кислород

Во внешней цепи происходит движения электронов от анода к катоду, а в растворе — движения ионов ОН^-от катода к аноду. Суммарная реакция, протекающая а топливном элементе:

Топливные элементы характеризуются ЭДС, напряжением, мощностью и КПД. ЭДС элемента можно рассчитать по следующему уравнению:

где — стандартная энергия Гиббса образования воды при 298К. Многочисленные исследования топливных элементов обусловлены их перспективностью как источников энергии будущего. В последние годы большое внимание уделяется разработке ТЭ для электромобилей, работающих на водороде или метаноле.

Применение потенциометрических методов

Определение свойств системы путем измерения ЭДС гальванических цепей называется потенциометрическими определениями.

Потенциометрия применяется для определения термодинамических характеристик реакций, стандартных электродных потенциалов, активности и коэффициентов активности электролитов, водородного показателя, концентраций растворов (потенциометрическое титрование) и т.д.

Определение рН растворов

Очень часто потенциометрическое определения используют доя измерения рН (водородного показателя) растворов. Этот метод заключается в измерении ЭДС элементов, состоящих из индикаторного электрода, обратимого по отношению к определяемому иону водорода, и электрода сравнения. Для точных измерений потенциал индикаторного электрода и потенциал электрода сравнения должны быть известны, диффузионный потенциал должен быть устранен, ошибка в измерениях должна составлять не менее 2*10^-4В.

В качестве индикаторных часто используют водородный, хингидронный и стеклянный электроды. Электродами сравнения служат хлорсеребряный или каломельный, потенциалы которых хорошо воспроизводимы и устойчивы во времени.

Ионное произведение воды

Концентрация ионов водорода в растворе должна быть выражена посредством водородного показателя или рН.

рН раствора — это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода, выраженной в моль/л.

Показатель рОН — то же самое, но относится он к концентрации гидроксид-иона.

Итак:

Вода ионизирована очень слабо:

Произведения концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов равно1*10^-14 моль²/л² при 25⁰С. Это произведение называют ионным произведением воды :

(1)

Уравнение (1) справедливо как для чистой воды, так и для любого водного раствора.

Обычно для чистой воды концентрация ионов водорода равна концентрации ионов гидроксида.

В этих условиях водный раствор считают нейтральным.

Задача 1. Определить рН 0,05моль/л раствора Н₂SO_4, считая ее полностью диссоциированной коэффициент активности ионов водорода .

Задача 2. Определить рН 0,0001моль/л раствора NaOH_, .