53. Гальванические элементы. Процессы на электродах. Эдс гальванического элемента.

Устройства, которые применяются для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую энергию, называются гальваническими элементами.

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительных реакций. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление – на другом.

Гальванические элементы в зависимости от природы электродов и концентрации электролитов разделяют на химические и концентрационные. Химические гальванические элементы – такие элементы, где электроды и электролиты различны. Концентрационные гальванические элементы – элементы, которые состоят из одинаковых электродов, но концентрации электролитов различны.

Рассмотрим гальванический элемент Якоби-Даниэля, состоящий из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди, и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой.

При работе элемента Якоби-Даниэля протекают следующие процессы:

- Реакция окисления цинка.

- Реакция восстановления ионов меди.

- Движение электронов во внешней цепи.

- Движение ионов в растворе: анионов к аноду, катионов к катоду. Движение в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

Вследствие этой химической реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т.е. образуется замкнутая электрическая система и в ней возникает электрический ток, численно характеризующийся величиной ЭДС элемента. Она равна разности электродных потенциалов катода и анода.

54. Обратимые источники электрической энергии. Кислотные и щелочные аккумуляторы.

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на гальванические элементы, которые из-за необратимости протекающих в них реакций невозможно перезарядить, и электрические аккумуляторы, которые можно перезарядить с помощью внешнего источника тока.

Гальванический элемент – любое устройство, дающее возможность получать электрический ток за счет проведения той или иной химической реакции.

Аккумулятор – химический источник электрического тока многоразового действия.

1) Кислотный аккумулятор: электроды свинцово-кислотного аккумулятора изготавливают заполнением ячеек свинцовой решетки пастой из оксида свинца. Электролит – серная кислота.

Pb|H2SO4|Pb

A(-): Pb(0)+H2SO4(-)-2e --> PbSO4+H(+)

+

K(+): PbO2+HSO4(-)+3H(+)-2e-->PbSO4+2H2O

=

Pb+PbO2+2H2SO4 -->(разряд) <--(заряд) 2PbSO4+2H2O

2) Щелочной аккумулятор:

Щелочные аккумуляторы бывают двух типов: кадмиево-никелевые и железо-никелевые. И для тех и для других на положительных пластинах используется гидрат окиси никеля. На отрицательных пластинах – смесь кадмия с железом и чистое железо соответственно. Пластины представляют собой стальные никелированные рамки с ячейками, в которые помещается активная масса.

2NiOOH + 2H2O + Fe -->(разряд) <--(заряд) 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2

для никель-кадмиевого

2NiOOH + 2H2O + Cd -->(разряд) <--(заряд) 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2

№55. Топливные элементы.

Топливный элемент – это химический источник тока длительного действия, начинающий и прекращающий работу с началом и прекращением подачи активных веществ к электродам. Проходя через пористые электроды, изготовленные из спрессованного графита, и контактируя с электролитом, восстановитель окисляется, а окислитель восстанавливается. Разность электродных потенциалов определяет напряжение элемента. Электролитом может служить раствор кислоты или щелочи, расплав соли. В качестве окислителей берут кислород или воздух, а как восстановители берут водород, горючие газы или жидкости.

Электродные процессы при работе топливного элемента состоят из двух полуреакций окислительно-восстановительной реакции. Например, в водородно-кислородном топливном элементе с раствором щелочи в качестве электролита протекают следующие процессы:

2H2+4OH^--4e^-=4H2O

O2+2H2O+4e^-=4OH^-

2H2+O2=2H2O

Достаточно высокий КПД. Выгоднее, чем процессы горения, идущие с большими потерями энергии. Экологичность, так как в воздух не выделяются продукты сгорания топлива.

2H2+O2=H20

H2|KOH|O2

A(-) H2+2OH(-)-2e -->2H2O

K(+) O2+2H2O+4e --> 4OH(-)