54. 1)Обратимые источники электрической энергии. 2)Кислотные и щелочные аккумуляторы.

К)В зависимости от состава электролита аккумуляторы могут быть кислотными и щелочными. Простейший кислотный аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин (электродов), погруженных в электролит, которым служит вода с небольшим добавлением серной кислоты. Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде. При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением кислорода на положительном электроде и водорода — на отрицательном.

Химическая реакция (слева-направо — разряд):

Анод: PbO2+SO4+4H3O+2e=PbSO4+H2O

Катод:Pb+SO4=PbSO4+2e

Щ)

55.Топливные элементы.

Разновидностью гальванического элемента является топливный элемент, в котором химическая энергия окислительно-восстановительной реакции сгорания газообразного и жидкого топлива превращается непосредственно в электрическую. Особенность топливных элементов состоит в том, что топливо и окислитель подводятся по мере их расходования. Это обеспечивает непрерывность работы источника тока теоретически в течение сколь угодно длительного времени. Одновременно и также непрерывно выводятся продукты окисления.

В качестве окислителя в топливных элементах почти всегда используется или чистый кислород или кислород воздуха. В качестве топлива применяются водород, гидразин, метанол, водяной и генераторный газы. Наибольшие успехи достигнуты в разработке водородно-кислородного топливного элемента.

Рассмотрим работу такого топливного элемента, который представляет собой два электрода специальной конструкции, погруженные в раствор щелочи (КОН). К поверхности одного из них непрерывно подводится водород (топливо), а к другому окислитель (кислород).

При замыкании внешней цепи на аноде протекает реакция окисления водорода:

2Н₂ + 4ОН^- = 4Н₂О + 4е

На катоде восстанавливается кислород:

О₂ + 2Н₂О + 4е^- = 4ОН^-

По внешней цепи электроны перемещаются от анода к катоду, а в растворе цепь замыкается движением ионов ОН^- от катода к аноду. Суммарное уравнение реакции сводится к получению воды.

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О

Для эффективной работы топливного элемента используются катализаторы, которые наносят на электроды.

56.1)Электролиз растворов и расплавов. 2)Последовательность электродных процессов. 3)Перенапряжение и поляризация.

1) Электролиз — физико-химическое явление, состоящее в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, которое возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.

Расплавы

1) Активные металлы

1.Соль активного металла и бескислородной кислоты

NaCl ↔ Na+ + Cl-

K«катод»(-): Na+ + 1e = Na0

A«анод»(+): Cl- - 1e = Cl0; Cl0+Cl0=Cl2

Вывод: 2NaCl → (электролиз) 2Na + Cl2

2.Соль активного металла и кислородосодержащей кислоты

Na2SO4↔2Na++SO42-

K(-): 2Na+ +2e =2Na0

A(+): 2SO42- -4e =2SO3+O2

Вывод: 2Na2SO4 → (электролиз) 4Na + 2SO3 + O2

3. Гидроксид: активный металл и гидроксид-ион

NaOH ↔ Na+ + OH-

K(-): Na+ +1e =Na0

A(+): 4OH- -4e =2H2O + O2

Вывод: 4NaOH → (электролиз) 4Na + 2H2O + O2

2) Менее активные металлы

Точно так же

3) Неактивные металлы

Точно так же

Растворы

1) Активные металлы

1.Соль активного металла и бескислородной кислоты

NaCl ↔ Na+ + Cl-

K«катод»(-): 2H2O + 2e = H2 + 2OH-

A«анод»(+): Cl- - 1e = Cl0; Cl0+Cl0=Cl2

Вывод: 2NaCl (электролиз) → 2H2 + Cl2 +2NaOH

2.Соль активного металла и кислородсодержащей кислоты

Na2SO4↔2Na++SO42-

K(-): 2H2O + 2e = H2 + OH-

A(+): 2H2O - 4e = O2 + 4H+

Вывод: 2Na2SO4 (электролиз) → H2 + O2

3. Гидроксид: активный металл и гидроксид-ион

NaOH ↔ Na+ + OH-

K(-): 2H2O + 2e = H2 + OH-

A(+): 4OH- - 4e = 2H2O + O2

Вывод: 4NaOH (электролиз) → H2 + O2

2) Менее активные металлы

1.Соль менее активного металла и бескислородной кислоты

ZnCl2 ↔ Zn2+ + 2Cl−

K«катод»(-): Zn2+ + 2e = Zn0

A«анод»(+): 2Cl− - 2e = 2Cl0

Вывод: ZnCl2 (электролиз) → Zn + Cl2

2.Соль менее активного металла и кислородсодержащей кислоты

ZnSO4 ↔ Zn2++SO42−

K(-): Zn2+ + 2e = Zn0

A(+): 4OH− - 4e = 2H2O + O2

Вывод: ZnSO4 (электролиз) → Zn + 2H2O + O2

3. Гидроксид: невозможно (нерастворим)

3) Неактивные металлы

Точно так же

3) ЭДС работающего элемента всегда меньше той расчетной величины, которая отвечает обратимой электрохимической реакции. Причиной этого является поляризация.

Поляризацией называется явление изменения потенциала от своего равновесного значения при протекании тока. Если в отсутствии тока система находится в равновесии, то мерой поляризации служит перенапряжение:

η = _P - (i)

где _P – равновесный потенциал, (i) – потенциал при протекание тока.

Возникновение поляризации обусловлено замедленностью отдельных стадий электрохимического процесса, который включает в себя по крайней мере три стадии:

1. подвод реагентов к электроду;

2. собственно электрохимическая реакция;

а) стадия разряда (окисления-восстановления), например, Н⁺ + е → Н);

б) химическая реакция, сопровождающая стадию разряда 2Н → Н₂.

3. отвод продуктов реакции.

Соответственно, в зависимости от характера самой медленной стадии различают три вида поляризации:

1. концентрационная поляризация – изменение потенциала электрода по сравнению с исходным равновесным значением, вызванное изменением концентрации потенциалопределяющих ионов. Этот вид поляризации наблюдается при работе элемента Даниэля-Якоби. При окислении цинкового электрода в приэлектродном слое накапливаются катионы цинка Zn²⁺ и согласно уравнению Нернста, потенциал этого электрода увеличивается. И, наоборот, у медного электрода концентрация ионов Cu²⁺ уменьшается вследствие их восстановления, и потенциал медного электрода уменьшается.

2. Химическая поляризация связана с изменением химической природы электрода. Так в элементе Вольта Zn ‌H₂SO₄ ‌Cu поверхность медного электрода (катода) насыщается водородом (2Н⁺ + 2е → Н₂) и образуется «водородный» электрод, потенциал которого имеет более низкое значение, чем потенциал медного электрода.

3. Изменение потенциала, обусловленное замедленностью электрохимических стадий реакций – называется электрохимической поляризацией и характеризуется перенапряжением перехода. Эта стадия играет главную роль в электрохимической кинетике, т.к. на перенос заряда непосредственно влияет потенциал электрода. Связь между перенапряжением перехода и плотностью тока выражается уравнением Тафеня:

η = а + в lgi

Константа «в» зависит от природы окислителя и восстановителя, температуры, «а» – от природы окислителя и восстановителя, состава раствора, температуры, материала электрода, «i» - плотность тока.

При использовании гальванического элемента, как источника питания, важное значение приобретает процесс устранения поляризации – так называемая деполяризация. Так, например, перемешивание раствора способствует уменьшению концентрационной поляризации.

Для экспериментального определения поляризации строят кривую зависимости потенциала электрода от плотности тока, протекающего в системе, так называемую поляризационную кривую. Согласно первому закону Фарадея, ток, протекающий в системе, пропорционален количеству вещества, прореагировавшего на электроде в единицу времени, т.е. скорости электрохимической реакции. Так как в зависимости от площади электрода при одном и том же потенциале токи могут быть разными, то скорость реакции относят к единице площади поверхности электрода и характеризуют плотность тока

i =