Химические источники тока

Окислительно-восстановительные процессы находят широкое практическое применение, в частности, используются для получения электрической энергии в химических источниках тока, к ним относятся аккумуляторы, гальванические и топливные элементы.

Рассмотрим медно-цинковый гальванический элемент (элемент Якоби – Даниэля).

Ox Red E⁰, B

A(-) Zn²⁺ + 2e = Zn⁰ – 0,76 восстановитель

K(+) Cu²⁺ + 2e = Cu⁰ + 0,34 окислитель

Анодом является цинковый электрод, на нём происходит процесс окисления, анод постепенно растворяется. На медном катоде происходит восстановление, металлическая медь высаживается на его поверхности.

ЭДС гальванического элемента равна алгебраической сумме окислительно-восстановительных потенциалов частных реакций:

Е = Е_к – Е_а = 0,34 – (– 0,76) = 1,1 В.

Теоретически для получения электрической энергии можно использовать любую окислительно-восстановительную реакцию. Но далеко не всегда можно создать достаточно дешёвые гальванические элементы с хорошими техническими характеристиками. Наиболее часто используют марганцево-цинковый элемент: анод – Zn(-), катод – MnO₂(+) погружены в раствор хлорида аммония. Суммарное уравнении окислительно-восстановительной реакции, протекающей в этом элементе:

2 Zn⁰ + 4 Mn⁺⁴O₂ + 4 NH₄⁺ = Zn²⁺ + [Zn(NH₃)₄]²⁺ + 4 Mn⁺³OOH

NH₄Cl в виде пасты, или им пропитан пористый картон, поэтому подобный элемент называется сухим.

Действие топливных элементов основано на окислительно-восстанови-тельном горении топлива. Топливом могут быть уголь, кокс, горючие газы, окислителем – кислород или воздух. В случае газообразных реагентов электроды представляют из себя пористые платиновые трубки.

Щелочной водородно-кислородный элемент:

К: О₂ + 2Н₂О + 4е = 4ОН^-

+ А: 2Н₂ + 4ОН^- – 4е = 4Н₂О

∑ 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

Δ G⁰ = - 574 кЖд/моль, эта энер-гия превращается в электрическую.

Для эффективной работы топливных элементов используют катализаторы, которые наносят на электроды, для водорода – платиновые металлы, для кислорода – смеси Co + Al или Fe + Mn + Ag. Топливные элементы очень перспективны, они уже используются в космической военной технике, очень заманчиво их применение на транспорте вместо двигателей внутреннего сгорания.

Гальванические и топливные элементы называют первичными источниками тока. Протекающие в них реакции практически необратимы, следовательно, эти источники тока предназначены для однократного использования.

Вторичные источники тока, в которых протекают обратимые реакции, называют аккумуляторами. Их можно перезаряжать и использовать многократно. В качестве примера рассмотрим работу свинцового аккумулятора.

Свинцовый аккумулятор состоит из решётчатых свинцовых пластин, одни из которых заполнены диоксидом свинца, а другие – металлическим свинцом. Пластины погружены в 35 – 40% раствор серной кислоты.

Работа аккумулятора (разряд):

(–) A: Pb (+) K: PbO₂

Pb⁰ + SO₄^2- = Pb²⁺SO₄ + 2e Pb⁺⁴O₂ + SO₄^2- + 4 H⁺ + 2e = Pb⁺²SO₄ + 2 H₂O

Суммарное уравнение: Pb + PbO₂ + 4 H⁺ + 2 SO₄^2- = 2 PbSO₄ + 2 H₂O.

ЭДС заряженного свинцового аккумулятора равна приблизительно 2 В. По мере разряда расходуются материалы катода (PbO₂), анода (Pb) и серная кислота, при этом напряжение на зажимах аккумулятора падает.

Для зарядки аккумулятор подключают к внешнему источнику тока. При этом электрохимические процессы на электродах «обращаются»:

А: (PbO₂) окисление К: (Pb) восстановление

Pb⁺²SO₄ + 2 H₂O = Pb⁺⁴O₂ + SO₄^2- + 4 H⁺ + 2e Pb²⁺SO₄ + 2e = Pb⁰ + SO₄^2-

Суммарное уравнение 2 PbSO₄ + 2 H₂O = Pb + PbO₂ + 4 H⁺ + 2 SO₄^2-.

Этот процесс противоположен тому, который протекает при работе аккумулятора.